[论文解读] High-Energy Physics with Gravitational-Wave Experiments

Michele Maggiore|ArXiv.org|Mar 7, 1998

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 12被引用 7

一句话总结

本文探讨了引力波实验在极高能标下探测物理现象的潜力，包括大统一理论与量子引力。通过分析原初引力波背景，文章认为先进的激光干涉仪（如LIGO和Virgo）可能探测到来自早期宇宙的随机信号，其灵敏度可延伸至10^7–10^10 GeV的温度范围，甚至更高，具体取决于暴胀模型与探测器配置。

ABSTRACT

We discuss the possible relevance of gravitational-wave (GW) experiments for physics at very high energy. We examine whether, from the experience gained with the computations of various specific relic GW backgrounds, we can extract statements and order of magnitude estimates that are as much as possible model-independent, and we try to distinguish between general conclusions and results related to specific cosmological mechanisms. We examine the statement that the Virgo/LIGO experiments probe the Universe at temperatures $T\sim 10^{7}-10^{10}$ GeV (or timescales $t\sim 10^{-20}-10^{-26}$ sec) and we consider the possibility that they could actually probe the Universe at much higher energy scales, including the typical scales of grand unification, string theory and quantum gravity. We consider possible scenarios, depending on how the inflationary paradigm is implemented. We discuss the prospects for detection with present and planned experiments. In particular, a second Virgo interferometer correlated with the planned one, and located within a few tens of kilometers from the first, could reach an interesting sensitivity for stochastic GWs of cosmological origin.

研究动机与目标

• 评估引力波实验在大统一与量子引力相关能标下探测物理现象的程度。
• 确定当前及计划中的激光干涉仪探测器能否追溯早期宇宙的热历史，时间短至10^{-26}秒。
• 评估原初引力波背景对高能物理现象学的模型无关影响。
• 考察相关激光干涉仪网络（例如双Virgo）对宇宙起源随机引力波背景的探测灵敏度。
• 区分引力波产生机制中的一般特征与依赖于特定宇宙学机制或暴胀范式的具体特征。

提出的方法

• 分析不同宇宙时期各种原初引力波背景的理论计算结果。
• 运用数量级估算，提取引力波实验所探测能标之模型无关结论。
• 考虑暴胀模型在塑造原初引力波振幅与频谱中的作用。
• 基于探测器配置与基准参数，评估第二代激光干涉仪（LIGO/Virgo）对随机引力波背景的灵敏度。
• 运用随机背景探测的形式化方法，评估探测相变或量子引力效应信号的潜力。
• 将理论预测与观测约束及计划中探测器的预期灵敏度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力波实验在多大程度上能够探测超越电弱能标的能量尺度，包括与大统一及量子引力相关的能标？
• RQ2 当前及计划中的激光干涉仪引力波探测器能够探测早期宇宙的最小温度或时间尺度是多少？
• RQ3 暴胀范式的实施如何影响原初引力波的可探测性？
• RQ4 由紧密排列的激光干涉仪网络（例如两个Virgo探测器）是否能显著提升对随机引力波背景的探测灵敏度？
• RQ5 哪些原初引力波谱特征在不同模型间具有鲁棒性，而哪些特征依赖于特定宇宙学机制？

主要发现

• Virgo与LIGO实验有能力探测温度约为10^7–10^10 GeV的早期宇宙，对应时间尺度为10^{-20}至10^{-26}秒。
• 若在第一台Virgo探测器附近增设第二台相关联的Virgo干涉仪，对宇宙起源随机引力波背景的探测灵敏度可显著提升。
• 文章指出，在有利条件下，引力波实验可能探测接近大统一与量子引力能标的物理现象，具体取决于暴胀模型。
• 原初引力波背景为高能物理提供了模型无关的窗口，其可探测信号可能源自相变或量子引力效应。
• 在考虑早期宇宙动力学的一般特征时，对随机背景振幅的理论估算对模型变化具有鲁棒性。
• 若成功探测到随机背景，将为粒子加速器无法触及的极高能标物理提供直接证据。