[论文解读] Detecting the relic gravitational wave from the electroweak phase transition at SKA

Yohei Kikuta, Kazunori Kohri+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文研究了利用平方公里阵列（SKA）脉冲星计时实验探测电弱相变期间产生的随机引力波背景的可探测性。结果表明，SKA能够探测到小$\tilde{\beta}$区域——这在如MSSM等模型中具有典型特征——为检验标准模型之外的希格斯 sector 物理提供了一种强大且互补的探测手段。

ABSTRACT

We discuss possibilities to observe stochastic gravitational wave backgrounds produced by the electroweak phase transition in the early universe. Once the first-order phase transition occurs, which is still predicted in a lot of theories beyond the standard model, collisions of nucleated vacuum bubbles and induced turbulent motions can become significant sources of the gravitational waves. Detections of such gravitational wave backgrounds are expected to reveal the Higgs sector physics. In particular, through pulsar timing experiments planned in Square Kilometre Array (SKA) under construction, we will be able to detect the gravitational wave in near future and distinguish particle physics models by comparing the theoretical predictions to the observations.

研究动机与目标

• 评估一阶电弱相变期间产生的随机引力波背景的可探测性。
• 评估平方公里阵列（SKA）在低频段（$10^{-9}$ Hz 至 $10^{-4}$ Hz）对这些引力波信号的灵敏度。
• 研究假真空中有限真空能量对宇宙演化及引力波产生影响。
• 将理论预测与SKA、eLISA和DECIGO的观测约束进行比较，重点区分粒子物理模型。

提出的方法

• 使用包络近似方法模拟一阶相变期间碰撞的气泡壁产生的引力波。
• 应用由气泡碰撞和湍流激发的引力波能量密度谱的解析公式。
• 引入参数$\alpha$（真空能量与辐射能量密度之比）和$\tilde{\beta}$（相变持续时间的倒数）作为关键可观测量。
• 纳入假真空中有限真空能量对膨胀历史和相变动力学的影响。
• 通过信噪比和白矮星双星（WD-WD）背景噪声，对比SKA、eLISA和终极DECIGO的灵敏度。
• 采用模型无关分析和MSSM启发的有效势，计算$\alpha$和$\tilde{\beta}$等物理参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 平方公里阵列（SKA）能否探测到电弱相变产生的引力波背景？
• RQ2 参数$\alpha$和$\tilde{\beta}$如何影响一阶相变引力波的可探测性？
• RQ3 假真空中的有限真空能量对宇宙膨胀和引力波产生有何影响？
• RQ4 SKA在低频段的探测前景与eLISA和DECIGO相比如何？
• RQ5 哪些粒子物理模型——特别是$\tilde{\beta}$较小的模型——最易被SKA脉冲星计时实验探测到？

主要发现

• SKA可在$10^{-9}$ Hz至$10^{-4}$ Hz的频率范围内探测到电弱相变产生的引力波背景。
• SKA对小$\tilde{\beta}$值特别敏感，而这类值在MSSM等模型中自然出现，因而可有效区分此类理论。
• 引力波信号的可探测性关键取决于$\alpha$和$\tilde{\beta}$参数，在$\alpha \sim 0.1$至$1$和$\tilde{\beta} \sim 10$至$100$范围内灵敏度最高。
• Planck对希格斯玻色子质量与真空稳定性的约束所排除的区域，与SKA可探测的参数空间一致。
• 白矮星双星（WD-WD）的前景噪声限制了最低频段的可观测区域，但SKA的灵敏度仍使其能够探测到关键的理论模型。
• 本文证实，电弱相变产生的引力波观测可作为LHC实验的补充手段，用于探索标准模型之外的物理学。