[논문 리뷰] NANOGrav signal and LIGO-Virgo Primordial Black Holes from Higgs inflation

Zhu Yi, Zong‐Hong Zhu|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 05.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 NANOGrav의 저주파 중력파 신호와 LIGO-Virgo가 관측한 항성 질량의 초기 블랙홀이 모두 비표준 운동에너지 항을 가진 힉스 인플레이션 기간 동안의 힉스 장에서 기인한다고 제안한다. 이 모델에서 유도된 스칼라 중력파는 우주 기반 관측소에 의해 탐지 가능하며, 하나의 인플레이션 이론 프레임워크 내에서 두 가지 천체물리 신호의 통합된 기원을 제공한다.

ABSTRACT

We show that the NANOGrav signal can come from the Higgs inflation with a noncanonical kinetic term in terms of the scalar induced gravitational waves. The scalar induced gravitational waves generated in our model are also detectable by space based gravitational wave observatories. Primordial black holes with stellar masses that can explain LIGO-Virgo events are also produced. Therefore, the NANOGrav signal and the BHs in LIGO-Virgo events may both originate from the Higgs field.

연구 동기 및 목표

• NANOGrav의 저주파 중력파 신호가 비표준 운동에너지 항을 가진 힉스 인플레이션으로 설명될 수 있는지 탐색한다.
• 이 모델에서 유도된 스칼라 중력파의 생성 및 우주 기반 관측소에 의한 탐지 가능성 조사한다.
• 동일한 인플레이션 시나리오가 LIGO-Virgo 관측 결과와 일치하는 항성 질량을 가진 초기 블랙홀을 생성할 수 있는지 규명한다.
• NANOGrav와 LIGO-Virgo의 두 개의 별개 천체물리 신호를 하나의 힉스 기반 인플레이션 이론 프레임워크 내에서 통합된 기원으로 제공한다.

제안 방법

• 인플레이션 기간 동안 스칼라 장 역학을 수정하기 위해 힉스 인플레이션 모델에 비표준 운동에너지 항을 도입한다.
• 수정된 작용으로 인해 인플레이션 단계 동안 생성된 스칼라 유도 중력파의 스펙트럼을 계산한다.
• 비표준 운동에너지 항에 의해 유도된 비정규 분포를 통해 초기 블랙홀 생성률을 계산한다.
• 유도된 중력파 및 블랙홀 스펙트럼을 NANOGrav와 LIGO-Virgo의 관측 데이터와 비교한다.
• 기존 천체물리 관측과의 일관성을 확보하기 위해 CMB 및 BBN 제약 조건을 적용한다.
• 미래의 우주 기반 중력파 탐지기들을 통해 예측된 중력파의 탐지 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비표준 운동에너지 항을 가진 힉스 인플레이션에서 기인하는 스칼라 유도 중력파로 NANOGrav 신호를 설명할 수 있는가?
• RQ2 이 모델에서 유도된 스칼라 중력파는 LISA와 같은 우주 기반 관측소에 의해 탐지 가능한가?
• RQ3 인플레이션 기간 동안 힉스 장의 비정규 분포가 LIGO-Virgo 관측 결과와 일치하는 질량을 가진 초기 블랙홀을 생성하는가?
• RQ4 동일한 인플레이션 메커니즘이 NANOGrav 신호와 LIGO-Virgo 블랙홀 사건을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ5 이 모델의 관측적 특징은 다른 설명과 어떻게 구별되는가?

주요 결과

• NANOGrav의 저주파 중력파 신호는 비표준 운동에너지 항을 가진 힉스 인플레이션 기간 동안 생성된 스칼라 유도 중력파로 설명될 수 있다.
• 이 모델에서 생성된 스칼라 유도 중력파는 LISA와 같은 미래의 우주 기반 중력파 관측소의 감도 대역에 포함된다.
• 이 시나리오에서는 LIGO-Virgo 병합 사건에서 관측된 질량 범위와 일치하는 항성 질량을 가진 초기 블랙홀이 생성된다.
• 이 모델은 동일한 힉스 장 역학을 통해 NANOGrav 신호와 LIGO-Virgo 블랙홀 탐지의 통합된 기원을 제공한다.
• 비표준 운동에너지 항은 탐지 가능한 중력파와 대규모 초기 블랙홀을 생성하는 데 필요한 비정규 분포를 가능하게 한다.