[논문 리뷰] Nano-Hertz gravitational waves from collapsing domain walls associated with freeze-in dark matter in light of pulsar timing array observations

Zhao Zhang, Chengfeng Cai외 4명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 21.

Superconducting and THz Device TechnologyPhysics and Astronomy참고 문헌 126인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 복합 도메인 월의 붕괴에 의해 유도되는 나노헤르츠 중력파가 펄서 타이밍 어레이(Pulsar Timing Array, PTA) 관측 결과를 설명할 수 있으며, 동시에 같은 약하게 상호작용하는 페르미온 장이 프리즈인 메커니즘을 통해 암흑물질을 생성한다. 이 모델은 $y_\chi \sim 10^{-10}$, $m_\chi \sim 0.17-7.5$ GeV, $m_s \sim 8.1\times10^4 - 10^6$ GeV일 때 NANOGrav 중력파 신호와 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 동시에 잘 맞춘다.

ABSTRACT

Evidence for a stochastic gravitational wave background in the nHz frequency band is recently reported by four pulsar timing array collaborations NANOGrav, EPTA, CPTA, and PPTA. It can be interpreted by gravitational waves from collapsing domain walls in the early universe. We assume such domain walls arising from the spontaneous breaking of a $Z_2$ symmetry in a scalar field theory, where a tiny $Z_2$-violating potential is required to make domain walls unstable. We propose that this $Z_2$-violating potential is radiatively induced by a feeble Yukawa coupling between the scalar field and a fermion field, which is also responsible for dark matter production via the freeze-in mechanism. Combining the pulsar timing array data and the observed dark matter relic density, we find that the model parameters can be narrowed down to small ranges.

연구 동기 및 목표

• 최근 펄서 타이밍 어레이에서 관측된 무작위 중력파 배경(SGWB)이 도메인 월 붕괴에 기인한 천체물리적 기원을 설명하는 것.
• 약하게 상호작용하는 페르미온을 통해 프리즈인 메커니즘을 이용해 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 설명하는 것.
• 도메인 월 붕괴에 필요한 $Z_2$-위반 잠재력과 암흑물질 생성에 기여하는 동일한 양자수인 양자수 $y_\chi$ 사이의 역학적 연결 고리를 수립하는 것.
• PTA 중력파 데이터와 측정된 암흑물질 밀도를 동시에 고려하여 모델 매개변수를 제약하고, 천체물리학적 일관성을 확보하는 것.

제안 방법

• 초기 우주에서 자발적 $Z_2$ 대칭의 붕괴로 도메인 월이 형성되는 실수 스칼라 장 $S$ 를 도입한다.
• 페르미온 $\chi$ 와의 양자수 $y_\chi$ 를 통한 쿠론-페르미온 상호작용에 의해 1-루프 수준에서 유도되는 미세한 $Z_2$-위반 잠재력을 포함하여 도메인 월의 안정성을 해체한다.
• 페르미온 $\chi$ 를 약하게 상호작용하는 거대 입자(FIMP)로 모델링하고, 1-루프 유도된 $\kappa_1$ 항으로부터 유도된 잔류 밀도를 계산한다.
• 유도된 $Z_2$-위반 잠재력에 기반한 도메인 월 붕괴의 에너지 밀도와 역학을 이용해 붕괴 중력파 스펙트럼을 계산한다.
• NANOGrav와 EPTA 데이터로부터 유도된 베이지안 사후 분포를 활용해 중력파 진폭과 주파수를 제약하고, 예측된 $\Omega_{\rm GW}^{\rm peak}$ 와 비교한다.
• 빅뱅 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN)과 도메인 월 과잉폐쇄 조건을 동시에 적용하여 타당한 매개변수 공간을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄서 타이밍 어레이에서 관측된 나노헤르츠 대역의 무작위 중력파 배경은, 한정된 $Z_2$ 대칭 스칼라 장 이론에서 1-루프 수준에서 유도된 $Z_2$-위반 잠재력에 의해 기인한 도메인 월 붕괴로 설명될 수 있는가?
• RQ2 동일한 물리적 원리, 특히 하나의 양자수를 통해 관측된 암흑물질 잔류 밀도와 PTA 중력파 신호를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ3 PTA 중력파 데이터와 측정된 암흑물질 밀도를 모두 만족시키는 양자수 $y_\chi$, 페르미온 질량 $m_\chi$, 스칼라 질량 $m_s$ 의 허용 범위는 무엇인가?
• RQ4 특히 도메인 월 과잉폐쇄와 BBN에 기인한 천체물리학적 제약은 이 모델의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 제한하는가?
• RQ5 도메인 월 붕괴에 필요한 극히 미세한 $Z_2$-위반 잠재력은 약한 양자수 상호작용을 통해 1-루프 수준에서 자연스럽게 생성될 수 있는가?

주요 결과

• 이 모델은 NANOGrav와 EPTA에서 관측된 나노헤르츠 대역의 무작위 중력파 배경을 도메인 월 붕괴를 통해 성공적으로 설명한다.
• 필요한 $Z_2$-위반 잠재력은 $y_\chi \sim 10^{-10}$ 인 양자수를 통해 1-루프 수준에서 자연스럽게 생성되며, 암흑물질의 프리즈인 메커니즘과 일치한다.
• 질량 $m_\chi \sim 0.17-7.5$ GeV, 양자수 $y_\chi \in (4.6\times10^{-10}, 8.7\times10^{-10})$ 인 페르미온 $\chi$ 는 관측된 암흑물질 잔류 밀도 $\Omega_\chi h^2 = 0.12$ 를 재현할 수 있다.
• $\lambda_S = 0.2$ 일 때 스칼라 질량은 $m_s \in (8.1\times10^4, 10^6)$ GeV 범위로 제약되며, 이는 도메인 월이 우주가 과잉폐쇄되기 이전에 붕괴됨을 보장한다.
• NANOGrav 95% 신뢰도 영역이 암흑물질 잔류 밀도 제약과 겹치며, 이 겹침은 오직 $y_\chi \in (4.6\times10^{-10}, 8.7\times10^{-10})$ 에서만 발생한다. 이는 좁지만 타당한 창을 의미한다.
• BBN과 도메인 월 과잉폐쇄에 기인한 천체물리학적 제약은 NANOGrav 95% 신뢰도 영역을 배제하지 않으며, 이는 모델의 타당성을 확인한다.