[논문 리뷰] NANOGrav and PPTA Tension: Gravity Waves, Cosmic Strings, and Inflation

G. Lazarides, Rinku Maji외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 05.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

논문은 초기 우주 팽창이 우주 끈이 늦게 수축성 사건을 겪게 하여 고주파 중력파를 억제함으로써, NANOGrav의 보고된 우주 끈의 진동수($G\mu \sim 2\times10^{-11}-3\times10^{-10}$)와 PPTA의 상한($G\mu \lesssim 4\times10^{-11}$) 사이의 갈등을 해결한다. 이 메커니즘은 가용한 $SO(10)$ 모형과 게이지 싱게트 스칼라 필드, 콜레먼-바이너브 포텐셜을 포함하여 현실적인 조건에서 데이터를 일치시킨다.

ABSTRACT

The NANOGrav collaboration has recently presented its pulsar timing array data which seem compatible with the presence of a stochastic gravity wave background emitted by cosmic strings with a dimensionless string tension $G\mu\simeq 2 imes 10^{-11}-3 imes 10^{-10}$ at $95\%$ confidence level ($G$ is Newton's constant and $\mu$ denotes the string tension). However, there is some tension between these results and the previous pulsar timing array bound $G\mu\lesssim 4 imes 10^{-11}$ from the PPTA experiment. We propose a relaxation of this tension by invoking primordial inflation which partially inflates the string network. The latter re-enters the horizon at later times after the end of inflation, and thus the short string loops are not produced. This leads to a reduction of the gravity wave spectrum which is more pronounced at higher frequencies. The reconciliation of the NANOGrav results with the PPTA bound is possible provided that the strings re-enter the horizon at adequately late times. We consider an example of a realistic $SO(10)$ model incorporating successful inflation driven by a gauge singlet real scalar field with a Coleman-Weinberg potential. This model leads to the production of intermediate scale topologically stable cosmic strings that survive inflation. We show regions of the parameter space where the tension between NANOGrav and PPTA is alleviated. Finally, we present an example in which both monopoles and strings survive inflation with the above tension resolved.

연구 동기 및 목표

• NANOGrav의 높은 추정 우주 끈 진동수와 PPTA의 엄격한 상한 사이의 모순을 해결하기 위해.
• 초기 우주 팽창이 우주 끈에서 기인하는 중력파 스펙트럼을 어떻게 변화시켜, 수축성 사건의 지연을 통해 고주파 성분을 억제할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 우주 팽창 후에도 안정적인 위상적 구조를 유지하는 우주 끈을 지닌 현실적인 $SO(10)$ 모형을 구축하기 위해.
• NANOGrav–PPTA 갈등이 늦은 수축성 사건 효과로 인해 완화되는 매개변수 영역을 규명하기 위해.
• 우주 팽창 후에도 단극자와 끈이 함께 존재할 수 있는 일관된 모형을 확장하여 관측 제약 조건을 유지하기 위해.

제안 방법

• 우주 끈 네트워크의 수축성 사건을 패턴화하여, 패턴화된 중력파의 고주파 성분을 감소시키는 방법을 모델링한다.
• 초기 우주 팽창을 이끄는 게이지 싱게트 스칼라 필드의 콜레먼-바이너브 포텐셜을 사용하여 중간 스케일의 우주 끈을 생성한다.
• 늦은 수축성 사건 조건 하에서 우주 끈의 중력파 스펙트럼을 계산하여 고주파 기여를 억제한다.
• 수정된 스펙트럼 하에서 NANOGrav와 PPTA의 펄서 타이밍 어레이 데이터를 활용해 끈 진동수 $G\mu$를 제약 조건에 둔다.
• $SO(10)$ 모형의 매개변수 영역을 매핑하여, NANOGrav의 신호와 PPTA의 상한 둘 다를 만족하는 영역을 식별한다.
• 우주 팽창 후에도 존재하는 위상적 결함인 단극자와 끈을 포함하는 모형을 확장하여, 갈등 해결과의 일관성을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 끈의 중력파 스펙트럼을 늦은 수축성 사건을 통해 수정함으로써 NANOGrav와 PPTA 사이의 관측 갈등을 해결할 수 있는가?
• RQ2 두 실험 간의 일치를 이루기 위해 고주파 중력파를 충분히 억제하기 위해 필요한 초기 우주 팽창의 동역학 조건은 무엇인가?
• RQ3 게이지 싱게트 스칼라 필드와 콜레먼-바이너브 포텐셜을 포함한 현실적인 $SO(10)$ 모형이 패턴화 후에도 우주 끈을 유지하고, 두 데이터셋과 일치하는 스펙트럼을 생성할 수 있는가?
• RQ4 수축성 사건의 시점은 우주 끈에서 기인하는 중력파의 탐지 가능성과 스펙트럼 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 단극자와 우주 끈이 모두 우주 팽창 후에 존재하는 일관된 모형에서 NANOGrav–PPTA 갈등을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 우주 끈의 늦은 수축성 사건은 고주파 영역에서 중력파 스펙트럼을 억제하여, 펄서 타이밍 어레이에서 추정되는 효과적 끈 진동수를 감소시킨다.
• 끈이 패턴화 이후 충분히 늦게 수축성 사건을 겪을 경우, NANOGrav의 신호와 PPTA의 상한 사이의 갈등이 해소된다.
• 게이지 싱게트 스칼라 필드와 콜레먼-바이너브 포텐셜을 포함한 현실적인 $SO(10)$ 모형은 패턴화 후에도 유지되는 중간 스케일의 우주 끈을 생성하며, 관측된 갈등 해결과 일치한다.
• 모형은 NANOGrav에서 추정한 $G\mu$ 값이 늦은 수축성 사건 억제를 고려한 후 PPTA 상한 이내에 들어가는 매개변수 영역을 규명한다.
• 단극자와 끈이 모두 패턴화 후 유지되는 모형 확장은 갈등 해결과의 일관성을 유지하며, 이 메커니즘의 강건성을 보여준다.