[논문 리뷰] Gravitational Waves from Domain Wall Collapse, and Application to Nanohertz Signals with QCD-coupled Axions

Naoya Kitajima, Junseok Lee외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 29.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 22

한 줄 요약

논문은 온도 의존적 QCD 유도 바이어스를 가진 애시온 도메인 벽 붕괴로부터 중력파를 계산하고, 그 결과 나노헤르츠 GW 스펙트럼이 NANOGrav/PTA 데이터를 설명할 수 있음을 보이며, 애시온 물리학 및 잠재적 PBH 형성과 연결한다.

ABSTRACT

We study for the first time the gravitational waves generated during the collapse of domain walls, incorporating the potential bias in the lattice simulations. The final stages of domain wall collapse are crucial for the production of gravitational waves, but have remained unexplored due to computational difficulties. As a significant application of this new result, we show that the observed NANOGrav, EPTA, PPTA, and CPTA data, which indicate stochastic gravitational waves in the nanohertz regime, can be attributed to axion domain walls coupled to QCD. In our model, non-perturbative effects of QCD induce a temperature-dependent bias around the QCD crossover, inducing the rapid collapse of the domain walls. We use sophisticated lattice simulations that account for the temperature-dependent bias to measure the gravitational waves resulting from the domain wall annihilation. We also discuss the future prospects for accelerator-based searches for the axion and the potential for the formation and detection of primordial black holes.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 외 시나리오에서 도메인 벽 붕괴 중 생성되는 중력파를 동기 부여하고 연구한다.
• 도메인 벽 소멸의 격자 시뮬레이션에 온도 의존적 QCD 유도 바이어스를 도입하여 degeneracy를 해소한다.
• GW 스펙트럼을 예측하고 이를 NANOGrav, EPTA, PPTA, CPTA 데이터와 비교한다.
• QCD 결합 애시온, 가속기 탐사 및 가능한 원시 블랙홀 형성에 대한 연결고리를 탐구한다.

제안 방법

• 정현 퍼텐셜과 인장력 σ를 가지는 코사인 형태의 도메인 벽으로 애시온 도메인 벽을 모델링한다.
• T_QCD 근처에서 동 degeneracy를 해소하고 빠른 도메인 벽 붕괴를 촉발하는 온도 의존적 QCD 유도 바이어스를 도입한다.
• 시간 의존 바이어스를 갖는 φ^4 이론의 4096^3 격자 시뮬레이션을 수행하여 후반부 도메인 벽 소멸을 포착한다.
• H(T_eq) 및 χ(T_eq)를 이용한 매칭으로 시뮬레이션 출력물을 물리적 매개변수에 대응시킨다.
• 깊은 QCDE에서의 붕괴로 인한 현재-day GW 스펙트럼을 추정하고, 피크 주파수 f_peak 및 피크 에너지 Ω_GW,0^peak를 지연 및 바이어스 효과와 함께 평가한다.
• 비비 즉시 소멸 및 스케일링 거동 보정 계수 C_f 및 C_Omega를 도입하여 비정상적 소멸 및 스케일링 보정을 반영한 f_peak 및 Ω_GW,0^peak를 피팅한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 애시온 도메인 벽이 QCD에 결합되어 나노헤르츠 범위의 확률적 중력파 배경을 형성하여 펄서 타이밍 어레이로 탐지될 수 있는가?
• RQ2 온도 의존적 QCD 바이어스가 도메인 벽 붕괴 시점과 결과적인 GW 스펙트럼에 미치는 영향은 상수 바이어스 모델과 비교하여 어떤 차이를 만드는가?
• RQ3 나노그래브 규모의 신호를 설명하는 애시온 질량 및 붕쇠 상수(n_g, n) 공간은 무엇이며, 실험적 시사점은 무엇인가?
• RQ4 도메인 벽 붕괴는 관측 가능한 원시 블랙홀을 생성하는가, 그리고 애시온 탐색에 대한 관련 현상학적 시사점은 무엇인가?

주요 결과

• 온도 의존 바이어스를 가진 DW 소멸의 GW 스펙트럼은 σ ~ 10^14–10^16 GeV^3에서 NANOGrav 및 기타 PTA 데이터와 일치할 수 있다.
• false vacuum 에너지에 의해 촉발된 후기 단계의 DW 충돌이 GW 생성에서 우세하며, 스펙트럽을 스케일링-거동 예측과 다르게 형성한다.
• 소멸이 QCD 스케일 근처에서 발생할 때 나노헤르츠 대역의 피크를 보이며 PTA 관측과 일치한다.
• NANOGrav 결과를 설명하는 애시온 매개변수 공간은 넓고 향후 가속기 실험에서 검증 가능하다.
• 이 시나리오는 또한 DW 소멸 시점 부근에서의 원시 블랙홀 형성 가능성을 허용한다.