[논문 리뷰] NANOGrav signal from axion inflation

Xuce Niu, Moinul Hossain Rahat|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 03.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 168인용 수 12

한 줄 요약

본 논문은 체른-시모스 결합을 가진 질량 있는 U(1) 게 gauge 필드와 상호 작용하는 의사스칼라 인플라톤이 패리티-위반(parity-violating) 및 파란색 기울기(blue-tilted) 중력파 스펙트럼을 생성할 수 있으며 이 스펙트럼이 NANOGrav 나노-헤르츠 신호를 설명할 수 있지만 우주론적 제약과도 일치한다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

Several pulsar timing arrays including NANOGrav, EPTA, PPTA, and CPTA have recently reported the observation of a stochastic background of gravitational wave spectrum in the nano-Hz frequencies. An inflationary interpretation of this observation is challenging from various aspects. We report that such a signal can arise from the Chern-Simons coupling in axion inflation, where a pseudoscalar inflaton couples to a (massive) $U(1)$ gauge field, leading to efficient production of a transverse gauge mode. Such tachyonic particle production during inflation exponentially enhances the primordial perturbations and leads to a unique parity-violating gravitational wave spectrum, that remains flat near the CMB scales but becomes blue-tilted at smaller scales. We identify the parameter space consistent with various cosmological constraints and show that the resultant gravitational wave signals can provide extra contribution on top of the standard astrophysical contribution from inspiraling supermassive black hole binaries towards explaining the observed excess at NANOGrav. The parity-violating nature of the signal can be probed in future interferometers, distinguishing it from most other new physics signals attempting to explain the NANOGrav result.

연구 동기 및 목표

• NANOGrav SGWB를 SMBHBs를 넘어선 초기 우주 물리학의 잠재 신호로 동기를 부여한다.
• GW의 원천으로서 체른-시모스 결합을 가진 (질량 있는) U(1) 게이지 필드를 갖는 Axion inflation을 조사한다.
• 우주론적 및 관측 제약과 일치하는 매개변수 공간을 식별한다.
• 결과적인 GW 신호가 SMBHB 기여를 보완하여 NANOGrav 데이터를 설명할 수 있음을 보여준다.
• 독특한 패리티-위반 GW 서명을 테스트 가능한 예측으로 강조한다.

제안 방법

• 준-디 시터 공간에서 U(1) 게이지 필드와의 체른-시모스 결합을 가진 axion 유사 인플라톤을 형식화한다.
• 게이지-필드 모드 방정식을 도출하고; A+ 편파의 타키온성 생산(Eq. 2.6)을 확인한다.
• 게이지-필드 백리액션을 포함한 스칼라 및 텐서 섭동을 계산하고; CMB 규모 스펙트럼을 고정하고 비가우시안성 및 r을 제약한다(Eqs. 2.3–2.4, 2.8, 2.13–2.15).
• BACKreaction를 포착하기 위해 CMB 스케일 너머의 시스템을 N을 시간 변수로 사용하여 진화시킨다(Eqs. 3.1–3.2).
• 벤치마크 포인트에 대해 ξ(N) 및 mA/H(N)을 계산하고 V(phi)=V0 tanh^2(phi/√(6αT) Mpl) 형태의 T-model 포텐셜을 채택한다(Eq. 3.3).
• GW 스펙트럼 today, ΩGW(f),를 예측하고 패리티-위반 기여를 포함시키며 NANOGrav 및 LVK 제약(Eq. 4.1, 4.2, 4.3)과 비교한다.

Figure 1 : Shaded regions denote exclusion of the gauge boson’s parameter space from various constraints. Tensor-to-scalar ratio bound is drawn for $H/M_{\rm Pl}=10^{-5}$ . For $f_{\rm NL}^{\rm eq}<-25\pm 47$ [ 156 ] , the left (right) part corresponds to the positive (negative) bound.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Axion inflation이 phi F tilde F 결합으로 나노-주파수에서 NANOGrav과 호환되는 확률적 중력파 배경을 생성할 수 있는가?
• RQ2 CMB 제약, 비가우시안성, LVK 경계 조건을 만족시키면서 PTA 스케일에서 관측 가능한 GW 신호를 생성하는 매개변수 공간의 영역은 어디인가?
• RQ3 모델이 미래 검출기로 테스트 가능할 패리티-위반 GW 스펙트럼을 예측하는가?
• RQ4 선택된 인플라톤 포텐셜(T-model)이 ξ의 진화와 백리액션 및 결과 GW 신호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 GW 배경으로 인한 추가 ΔNeff가 BBN/CMB 제약 내에 있는가?

주요 결과

• 게이지-필드 생성은 축인플레이션 동안 패리티-위반 GW 스펙트럼을 생성하며 CMB 규모에서 평탄하고 더 작은 스케일에서 파란색으로 기울어진다.
• 게이지 필드의 백리액션이 증가를 제어하여 LVK 경계와의 호환성을 유지하면서 나노-헤르츠 주파수에서 탐지 가능한 PW 신호를 생성한다.
• T-model 포텐셜을 사용하면 세 가지 벤치마크 포인트에서 SMBHB 배경보다 NANOGrav 데이터에 더 잘 맞는 GW 신호를 생성한다.
• 백리액션으로 인해 LVK 스케일에서 예측된 ΩGW(f)가 서브도미난트로 남고 패리티-위반 서명이 독특한 실험적 핸들을 제공한다.
• GW 배경으로 인한 ΔNeff가 약(≈0.013)으로 작아 BBN/CMB 한계에 편안히 부합한다.
• 모델은 ET-CE 및 LISA-Taiji 네트워크와 같은 미래 검출기를 위한 테스트 가능한 패리티-위반 서명을 시사한다.

Figure 2 : Inflaton potential for the T-model in eq. 3.3 , setting $\alpha_{T}=4$ .