[論文レビュー] Constraining Post-Inflationary Axions with Pulsar Timing Arrays

Géraldine Servant, Peera Simakachorn|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、最新のNANOGrav 15年間のパルサー計時配列（PTA）データを用いて、グローバルな宇宙ひもとドメインウォールから発生する重力波（GW）信号を分析し、インフレーション後のアキソン様粒子（ALP）を制限している。SGWB（確率的重力波背景）の制限が、特に $ m_a \lesssim 10^{-22} $ eV の領域ではダーク放射能（$\Delta N_{\text{eff}}$）による制限と同等の性能を示し、$ m_a \gtrsim 0.1 $ GeV の領域ではドメインウォールがGW信号を支配し、従来の手法では探査できなかったパラメータ空間の新たな領域を開放する。

ABSTRACT

Models that produce Axion-Like-Particles (ALP) after cosmological inflation due to spontaneous $U(1)$ symmetry breaking also produce cosmic string networks. Those axionic strings lose energy through gravitational wave emission during the whole cosmological history, generating a stochastic background of gravitational waves that spans many decades in frequency. We can therefore constrain the axion decay constant and axion mass from limits on the gravitational wave spectrum and compatibility with dark matter abundance as well as dark radiation. We derive such limits from analyzing the most recent NANOGrav data from Pulsar Timing Arrays (PTA). The limits are similar to the $N_{ m eff}$ bounds on dark radiation for ALP masses $m_a \lesssim 10^{-22}$ eV. On the other hand, for heavy ALPs with $m_a\gtrsim 0.1$ GeV and $N_{ m DW} eq 1$, new regions of parameter space can be probed by PTA data due to the dominant Domain-Wall contribution to the gravitational wave background.

研究の動機と目的

• グローバルな宇宙ひもとドメインウォールが生成する確率的重力波背景（SGWB）から、アキソン様粒子（ALP）のパラメータ、特に崩壊定数 $ f_a $ と質量 $ m_a $ の新たな制限を導出すること。
• 最新のNANOGrav 15年間のパルサー計時配列（PTA）データを分析し、観測された低周波数重力波信号の説明として、グローバルひもおよびドメインウォールによるSGWB信号の妥当性を評価すること。
• スーパーマスイブブラックホールバイナリ（SMBHB）からの標準的アストロフィジカル背景と比較して、ALP由来のSGWBモデルのベイズ的証拠（ベイズ因子）を評価し、データとの整合性を検証すること。
• SGWBの制限をALPのパラメータ空間への制限に翻訳し、とくにダークマターの密度と $\Delta N_{\text{eff}}$ による既存の制限が最も関連する領域での制限を強化すること。

提案手法

• 著者らは、NANOGrav 15年間のデータセットを分析するため、PTArcadeコードを用い、グローバルな宇宙ひもとドメインウォールからの確率的重力波背景（SGWB）を観測信号の潜在的要因としてモデル化している。
• ベイズ因子（BF）を計算して、SMBHB背景を含む／含まないALP由来のSGWBモデルが、標準的なSMBHBのみのモデルに比べてどの程度統計的に優れているかを評価している。
• SGWBの振幅が観測制限を超える場合に $ f_a $ の上限を導出するためのK比法を用いており、特に安定なグローバルひもケースに特化している。
• ALPのパラメータ空間は、ドメインウォールでは $ m_a f_a^2 \sim \text{一定} $、グローバルひもではGWスペクトルの $ f_a $ 依存性を用いて、SGWBの制限から $ f_a $ と $ m_a $ への制限に翻訳している。
• 両ケースを検討している：グローバルひもがGWスペクトルを支配する場合と、特に重いALP（$ m_a \gtrsim 0.1 $ GeV）の領域でドメインウォールが支配する場合。
• 補足的分析には、グローバルひもにおける $ m_a \to 0 $ の極限と、天体物理学的SMBHB背景がない場合のケースが含まれており、新物理寄与を分離することを目的としている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NANOGrav 15年間のパルサー計時配列データは、インフレーション後のグローバルな宇宙ひもによる確率的重力波背景で説明可能か？ また、標準的SMBHBモデルと比べてどの程度優れているか？
• RQ2 グローバルな宇宙ひもによるSGWB信号から得られるアキソン崩壊定数 $ f_a $ と質量 $ m_a $ の制限は何か？ また、ダーク放射能やダークマター密度による既存の制限と比較するとどうか？
• RQ3 重いアキソン様粒子（$ m_a \gtrsim 0.1 $ GeV）の領域では、ドメインウォールによるGWスペクトル寄与が、従来の手法では探査できなかったALPパラメータ空間の新たな領域を開くか？
• RQ4 アストロフィジカルSMBHB背景を含める／除外する場合の制限のロバストネスは？ また、K比法が $ f_a $ の上限を設定する役割は何か？
• RQ5 グローバルひもおよびドメインウォールによるSGWBモデルのベイズ的証拠（BF）は、SMBHBモデルに対してどの程度か？ さらに、宇宙論的整合性のチェックを踏まえて、両モデルの妥当性はいかがなものか？

主な発見

• 最良適合のグローバルひもSGWBモデルでは、68%信用区間で $ f_a \approx 2.99^{+0.31}_{-0.26} \times 10^{15} $ GeV を得るが、ベイズ因子（BF）はわずか $ 1.45 \times 10^{-3} $ にとどまり、SMBHBモデルに比べて著しく悪い適合であることが示唆される。
• SMBHB背景と組み合わせた場合、BFは0.64にまで低下し、SMBHB単体のモデルより適合が悪くなるが、K比法により制限を導出可能である。
• K比法により、90%信頼区間で $ f_a < 2.77 \times 10^{15} $ GeV の上限が設定され、$ m_a \to 0 $ の極限解析と整合的である。
• ドメインウォールの最良適合モデルでは、$ m_a f_a^2 \approx 2.4 \times 10^{15} $ GeV$^3$ を得るが、ベイズ因子は23.4に達し、SMBHB単体モデルよりも強く統計的に優れていることが示された。
• $ m_a \lesssim 10^{-22} $ eV の領域では、PTAによるALPパラメータ空間への制限の強度が、$\Delta N_{\text{eff}}$ によるダーク放射能の制限と同等の水準に達している。
• $ m_a \gtrsim 0.1 $ GeV で $ N_{\text{DW}} \neq 1 $ の場合、ドメインウォールによるGWスペクトル寄与が、他の手法では到達できないALPパラメータ空間の新たな領域を探索可能にしている。