[논문 리뷰] Implications of NANOGrav results and UV freeze-in in a fast-expanding Universe

Basabendu Barman, Amit Dutta Banik외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 22.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 빠르게 팽창하는 우주에서 새로운 장 φ에 의해 driving되는 ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾인 빠르게 팽창하는 우주에서 Z₄-싱게트 페르미온 χ와 스칼라 φ를 가진 어둠의 세분을 제안한다. 이는 우주 초기의 고에너지 물리학에서 어둠의 물질 생성을 위한 UV 프리즈인 메커니즘과 함께, 강한 1차 위상 전이를 통해 감지 가능한 스펙트럼적 중력파 배경을 생성할 수 있다. 이 모형은 NANOGrav의 12.5년 신호와 PLANCK 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 설명하며, n ≲ 4 및 T_R ∼ O(100) MeV를 요구한다.

ABSTRACT

Recent pulsar timing data reported by the NANOGrav collaboration indicates the existence of a stochastic gravitational wave (GW) background at a frequency $f\sim 10^{-8}~ m Hz$. We show that a dark sector consisting of a Standard Model (SM) gauge singlet fermion $χ$ and a singlet scalar $ϕ$, both charged under a $Z_4$ symmetry, is capable of generating such a low frequency GW via strong first order phase transition (SFOPT) through the modification of the standard cosmological history, where we assume faster-than-usual expansion at pre-BBN times driven by a new cosmological species $φ$ whose energy density red-shifts with the scale factor as $ρ_φ\propto a^{-\left(4+n ight)}$. Depending on the choice of the fast expansion parameters, reheat temperature and effective scale of the theory, it is also possible to address correct dark matter (DM) relic abundance via freeze-in. We show that a successful first order phase transition explaining NANOGrav results together with PLANCK observed DM abundance put bound on the fast expansion parameters requiring $n\lesssim 4$ to explain both.

연구 동기 및 목표

• 빠르게 팽창하는 수정된 우주론적 프레임워크에서 어둠의 물질 생성 메커니즘과 동시에 NANOGrav의 12.5년 펄서 타이밍 어레이 결과 — 즉 약 10⁻⁸ Hz에서의 스펙트럼적 중력파 배경 — 을 일치시키는 것.
• 비표준적인 우주론적 역사를 가진 빠르게 팽창하는 환경에서 강한 1차 전이를 통해 감지 가능한 중력파를 생성하는 과제를 해결하는 것.
• 빠르게 팽창하는 환경에서 차원 다섯의 연산자에 의한 UV 프리즈인을 통한 어둠의 물질 생성 메커니즘이 어떻게 영향을 받는지 분석하고, 관측된 어둠의 물질 밀도와 일치하기 위해 필요한 결합 스케일과 재열 온도를 제약하는 것.
• NANOGrav 중력파 신호와 PLANCK 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 만족시키는 빠르게 팽창하는 우주의 파라미터(n, T_R)에 대한 일관성 제약 조건을 유도하는 것.

제안 방법

• 빅뱅 핵합성 이전에 빠른 허블 팽창 속도를 유도하는 새로운 우주론적 성분 φ를 모델링하며, 그 에너지 밀도는 ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾로 감쇠된다.
• 표준모형 게이지 싱게트 페르미온 χ(어둠의 물질 후보)와 스칼라 φ로 구성된 어둠의 세분을 도입하며, 이들은 Z₄ 대칭에 따라 전하를 지닌다. 이들은 어떤 경우에도 국소적으로 보존되는 표준모형 상호작용을 갖지 않는다.
• UV 프리즈인 생성 메커니즘으로서 차원 다섯의 효과적 연산자(예: (H†H)(χ̄χ)/Λ)를 통해 χ를 생성하며, 관측된 잔여 밀도에 의해 절단 스케일 Λ와 결합 강도가 제약된다.
• 수정된 허블 배경에서의 효과적 포텐셜과 버블벽 역학을 사용하여 스칼라 φ의 강한 1차 위상 전이에서 발생하는 중력파 신호를 계산한다.
• CosmoTransition 패키지를 사용하여 위상 전이 강도와 중력파 스펙트럼을 수치적으로 평가하고, NANOGrav 12.5년 데이터의 2σ 등고선과 비교한다.
• PLANCK에서 관측된 중력파 진폭과 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 만족시키기 위해 n과 T_R에 대한 제약 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾인 빠르게 팽창하는 우주에서, 강한 1차 위상 전이를 통해 NANOGrav의 12.5년 스펙트럼적 중력파 배경(주파수 f ∼ 10⁻⁸ Hz)을 설명할 수 있는가?
• RQ2 빠르게 팽창하는 환경에서 어둠의 물질의 프리즈인 생성 메커니즘은 어떻게 변화하는가? 관측된 잔여 밀도와 일치하기 위해 필요한 결합 스케일과 재열 온도는 무엇인가?
• RQ3 NANOGrav 중력파 신호와 PLANCK 어둠의 물질 밀도를 동시에 만족시키기 위해 필요한 빠르게 팽창하는 우주의 파라미터 n과 T_R에 대한 통합 제약 조건은 무엇인가?
• RQ4 Z₄-싱게트 스칼라 φ는 비표준적인 우주론적 배경에서 강한 1차 위상 전이를 유도할 수 있는가? 그리고 그로 인한 중력파 신호는 현재 및 향후 관측소에서 감지 가능한가?
• RQ5 빠르게 팽창하는 우주에서 UV 프리즈인을 통해 충분한 어둠의 물질을 생성하기 위해 필요한 차원 다섯 연산자의 효과적 스케일 Λ는 얼마이며, 이는 표준 우주론적 상황과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 이 모형은 빠르게 팽창하는 우주에서 강한 1차 위상 전이를 통해 스펙트럼적 중력파 배경을 생성함으로써, NANOGrav 12.5년 펄서 타이밍 어레이 데이터를 2σ 신뢰수준 내에서 성공적으로 설명한다.
• 관측된 어둠의 물질 잔여 밀도(PLANCK 기반)와 NANOGrav 중력파 신호를 동시에 만족시키는 일관성 있는 매개변수 영역이 존재하며, 이 경우 n ≲ 4를 요구한다.
• 빠르게 팽창하는 시나리오에서 어둠의 물질 밀도를 정확히 맞추기 위해 재열 온도는 T_R ∼ O(100) MeV여야 하며, 이는 표준 우주론보다 높은 값이다.
• UV 프리즈인 생성는 빠르게 팽창하는 환경에서 크게 억제되며, 이에 따라 표준 케이스와는 달리 충분한 어둠의 물질을 생성하기 위해 더 큰 효과적 스케일 Λ ≳ 10¹⁰ GeV 가 필요하다.
• 포털 결합 강도 λ_Hφ ≳ 0.1일 경우, 빠르게 팽창하는 시나리오에서 강한 위상 전이가 감지 가능한 중력파를 생성할 수 있다. 반면 표준 우주론에서는 훨씬 더 큰 결합 강도가 필요하다.
• 이 모형의 UV 완성은 무거운 벡터형 라이크 렙톤(VLL) 세분과 일치한다. 여기서 VLL를 M_ψ ≡ Λ 스케일에서 적분하면, UV 프리즈인에 필요한 차원 다섯의 연산자가 유도된다.