[论文解读] NANOGrav and PPTA Tension: Gravity Waves, Cosmic Strings, and Inflation

G. Lazarides, Rinku Maji+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2021

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

该论文通过提出原初暴胀导致宇宙弦在晚期重新进入视界，从而抑制高频引力波，解决了NANOGrav报告的宇宙弦张力（$G\mu \sim 2\times10^{-11}-3\times10^{-10}$）与PPTA的上限（$G\mu \lesssim 4\times10^{-11}$）之间的矛盾。该机制在具有规范单态标量场和Coleman-Weinberg势的现实$SO(10)$模型中，实现了数据集的一致性。

ABSTRACT

The NANOGrav collaboration has recently presented its pulsar timing array data which seem compatible with the presence of a stochastic gravity wave background emitted by cosmic strings with a dimensionless string tension $G\mu\simeq 2 imes 10^{-11}-3 imes 10^{-10}$ at $95\%$ confidence level ($G$ is Newton's constant and $\mu$ denotes the string tension). However, there is some tension between these results and the previous pulsar timing array bound $G\mu\lesssim 4 imes 10^{-11}$ from the PPTA experiment. We propose a relaxation of this tension by invoking primordial inflation which partially inflates the string network. The latter re-enters the horizon at later times after the end of inflation, and thus the short string loops are not produced. This leads to a reduction of the gravity wave spectrum which is more pronounced at higher frequencies. The reconciliation of the NANOGrav results with the PPTA bound is possible provided that the strings re-enter the horizon at adequately late times. We consider an example of a realistic $SO(10)$ model incorporating successful inflation driven by a gauge singlet real scalar field with a Coleman-Weinberg potential. This model leads to the production of intermediate scale topologically stable cosmic strings that survive inflation. We show regions of the parameter space where the tension between NANOGrav and PPTA is alleviated. Finally, we present an example in which both monopoles and strings survive inflation with the above tension resolved.

研究动机与目标

• 解决NANOGrav推断出的较高宇宙弦张力与PPTA给出的更紧上限之间的差异。
• 探讨原初暴胀如何通过延迟视界重入，改变宇宙弦产生的引力波谱。
• 构建一个包含规范单态标量场和Coleman-Weinberg势的现实$SO(10)$模型，支持拓扑稳定的宇宙弦在暴胀后持续存在。
• 展示在何种参数空间区域内，通过晚期重入效应可缓解NANOGrav–PPTA张力。
• 将模型扩展以同时包含暴胀后存活的单极子和弦，同时保持与观测限制的一致性。

提出的方法

• 模拟暴胀结束后重新进入视界的宇宙弦网络，降低高频引力波能量。
• 利用规范单态标量场的Coleman-Weinberg势驱动暴胀并产生中间尺度宇宙弦。
• 在晚期视界重入条件下，计算宇宙弦产生的引力波谱，该条件抑制高频贡献。
• 应用NANOGrav和PPTA的脉冲星计时阵列数据，约束修改后谱下的弦张力$G\mu$。
• 绘制$SO(10)$模型的参数空间，识别同时满足NANOGrav信号与PPTA上限的区域。
• 将模型扩展以包含暴胀后存活的拓扑缺陷（如单极子和弦），确保与已解决张力的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过延迟视界重入修改宇宙弦的引力波谱，能否解决NANOGrav与PPTA之间观测到的张力矛盾？
• RQ2 暴胀动力学需满足何种条件，才能充分抑制高频引力波，以调和两组实验结果？
• RQ3 一个包含规范单态标量场和Coleman-Weinberg势的现实$SO(10)$模型，是否能支持暴胀后持续存在的宇宙弦，并产生与两组数据一致的谱？
• RQ4 视界重入的时间点如何影响宇宙弦引力波的可探测性与谱形？
• RQ5 能否在一致模型中使单极子和宇宙弦均在暴胀后存活，同时解决NANOGrav–PPTA张力？

主要发现

• 宇宙弦的晚期视界重入抑制了高频引力波谱，降低了脉冲星计时阵列推断出的有效弦张力。
• 当弦在暴胀后足够晚的时间重新进入视界时，NANOGrav信号与PPTA上限可实现调和。
• 一个包含规范单态标量场和Coleman-Weinberg势的现实$SO(10)$模型，可产生在暴胀后存活的中间尺度宇宙弦，且与观测到的张力调和一致。
• 该模型识别出特定参数空间区域，在这些区域中，考虑晚期重入抑制后，NANOGrav推断的$G\mu$落在PPTA上限之内。
• 扩展模型中包含暴胀后存活的单极子与弦，仍与已调和的张力保持一致，证明了该机制的稳健性。