[论文解读] Imprints of Early Universe on Gravitational Waves from First-Order Phase Transition in QCD

Mengwei Li, Yi Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2018

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 30被引用 5

一句话总结

本文利用轻夸克和重夸克的全息模型，研究了量子色动力学（QCD）中一阶禁闭-解禁闭相变的引力波（GW）信号。结果表明，当化学势较高且相变持续时间较短时，逃逸波前和爆燃波前产生的引力波可能被EPTA/IPTA、SKA和eLISA探测到，而火焰传播情形下的引力波在当前仪器下仍不可探测。

ABSTRACT

We study the gravitational wave spectrum from the confinement-deconfinement phase transi-tion in the holographic QCD models for both light quark and heavy quark. We obtain the gravitationalwave spectrum in the deflagration, detonation and runaway cases for different chemical potentials and duration of the phase transition. We find that the gravitational wave spectrum could be observed by EPTA/IPTA and eLISA for large chemical potential and short duartion of phase transtions.

研究动机与目标

• 利用全息QCD方法对早期宇宙中QCD禁闭-解禁闭相变期间的引力波（GW）产生进行建模。
• 研究不同气泡壁速度（逃逸、爆燃和火焰传播）对引力波谱的影响。
• 评估在不同化学势和相变持续时间下，轻夸克和重夸克系统产生的引力波的可探测性。
• 将引力波能量密度与拟议探测器（eLISA、EPTA/IPTA、SKA）的灵敏度曲线进行比较。

提出的方法

• 采用全息QCD模型描述轻夸克和重夸克的禁闭-解禁闭相变。
• 计算了来自三种来源的引力波能量密度贡献：气泡碰撞、声波和磁流体动力学湍流。
• 根据气泡壁速度对相变动力学进行分类：逃逸（vb ≈ c）、爆燃（cs < vb < c）和火焰传播（vb ≤ cs）。
• 使用数值拟合公式计算在不同化学势（μ）和相变持续时间（τ）下的引力波谱。
• 将所得引力波能量密度谱与当前及拟议探测器的噪声曲线进行比较：LISA/eLISA（10⁻¹–10⁻⁵ Hz）和EPTA/IPTA/SKA（10⁻⁶–10⁻⁹ Hz）。
• 将τ从0.1H*变化到10H*，以研究持续时间依赖性，结果表明在较短持续时间下引力波振幅显著增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全息模型中，轻夸克与重夸克系统在QCD相变中产生的引力波谱有何不同？
• RQ2 在不同相变区域中，气泡碰撞、声波和MHD湍流对总引力波能量密度的相对贡献如何？
• RQ3 提高化学势如何影响QCD相变引力波的可探测性？
• RQ4 相变持续时间（τ）对产生的引力波信号振幅和可探测性有何影响？
• RQ5 在现实参数设置下，当前和未来的引力波探测器（eLISA、EPTA/IPTA、SKA）中，哪些可能探测到QCD相变产生的引力波？

主要发现

• 在逃逸情形下，引力波的主要贡献来自气泡碰撞，轻夸克和重夸克系统通过EPTA/IPTA/SKA和LISA均可产生可探测的谱。
• 在μ = 0.1 GeV且τ = H*时，重夸克在逃逸情形下的引力波谱可被EPTA/IPTA/SKA和LISA探测到。
• 在爆燃情形下，重夸克产生的引力波可被IPTA/SKA探测到，可能也可被EPTA探测到，而轻夸克的谱仅略高于SKA的噪声曲线。
• 在火焰传播情形下，无论化学势如何，轻夸克和重夸克产生的引力波谱均无法被任何当前拟议探测器探测到。
• 当相变持续时间缩短至τ = 0.1H*时，引力波能量密度显著增强，使信号在逃逸情形下可被eLISA探测到，在爆燃情形下可被EPTA/IPTA/SKA探测到。
• 提高化学势会降低引力波能量密度，使信号更难探测，尤其在火焰传播和爆燃区域中更为明显。