[论文解读] Did we hear the sound of the Universe boiling? Analysis using the full fluid velocity profiles and NANOGrav 15-year data

Tathagata Ghosh, Anish Ghoshal+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2023

Computational Physics and Python Applications参考文献 114被引用 4

一句话总结

本文提出，通过使用完整的流体速度分布而非简化的幂律断裂模型来建模强一阶宇宙相变产生的声波，可比传统模型更好地拟合NANOGrav 15年引力波数据。改进的拟合结果给出了更合理的相变 timescale，并为观测到的蓝倾斜谱提供了可行的宇宙学解释，同时CMB、中微子和暗物质 sector 实验提供了互补探测手段。

ABSTRACT

In this paper, we analyse sound waves arising from a cosmic phase transition where the full velocity profile is taken into account as an explanation for the gravitational wave spectrum observed by multiple pulsar timing array groups. Unlike the broken power law used in the literature, in this scenario the power law after the peak depends on the macroscopic properties of the phase transition, allowing for a better fit with pulsar timing array (PTA) data. We compare the best fit with that obtained using the usual broken power law and, unsurprisingly, find a better fit with the gravitational wave (GW) spectrum that utilizes the full velocity profile. We then discuss models that can produce the best-fit point and complementary probes using CMB experiments and searches for light particles in DUNE, IceCUBE-Gen2, neutrinoless double beta decay, and forward physics facilities at the LHC like FASER nu, etc.

研究动机与目标

• 通过用物理上合理的完整流体速度分布替代标准的幂律断裂模型，改进引力波谱对NANOGrav 15年数据的拟合效果。
• 评估观测到的蓝倾斜引力波谱（ΩGW ∝ f^(1.3–2.4)）是否可由一阶相变产生的声波解释。
• 识别能够产生此类相变及其相关引力波信号的可行暗物质 sector 模型。
• 探索CMB实验（CMB-S4、CMB-HD等）和地面探测器（DUNE、IceCube-Gen2、LHC上的FPF、无中微子双贝塔衰变）提供的互补约束。

提出的方法

• 使用流体的完整速度分布而非假设幂律断裂模型，建模一阶相变期间声波产生的引力波谱。
• 利用NANOGrav 15年数据约束相变参数，包括气泡壁速度、电浆温度和相变强度。
• 通过统计准则比较完整速度分布模型与标准幂律断裂模型的拟合优度。
• 推导中微子门控相互作用（ϕN¯N¯）的有效算符，以连接暗物质 sector 与标准模型，实现现象学约束。
• 整合来自介子衰变、无中微子双贝塔衰变、DUNE、IceCube-Gen2 和 LHC 上 FPF 的现有及未来实验对耦合 gαβ 和媒介子质量 mϕ 的约束。
• 通过质量型Majoron、逆见标模型和U(1)B−L模型等，评估有效理论的UV完备性。

Figure 1: The data from NANOGrav measurement for relic density of SGWB w.r.t. frequency in Hz (black) against the best fit using the full sound shell model (red) and the best fit for a broken power law fit (blue) frequently appearing in the literature (see eqn 9 ). The parameters behind each fit are

实验结果

研究问题

• RQ1 与幂律断裂模型相比，宇宙相变中完整的流体速度分布是否能更优地解释NANOGrav 15年数据中观测到的蓝倾斜引力波谱？
• RQ2 完整速度分布拟合所得到的物理参数（如相变 timescale、壁速度）为何？与幂律断裂模型的结果相比如何？
• RQ3 哪些暗物质 sector 模型可产生与最佳拟合引力波谱一致的相变，并满足宇宙学与粒子物理约束？
• RQ4 未来CMB实验与地面中微子/暗物质探测如何互补引力波观测，以探测相变参数空间？
• RQ5 中微子门控算符对DUNE、IceCube-Gen2 和 LHC 上 FPF 检测轻媒介子有何影响？

主要发现

• 完整流体速度分布模型对NANOGrav 15年数据的拟合显著优于标准幂律断裂模型，尤其在捕捉蓝倾斜谱（ΩGW ∝ f^(1.3–2.4)）方面表现更优。
• 完整速度模型的最佳拟合相变参数显示其 timescale 相对于哈勃时间更短，因此比幂律断裂模型的参数更具物理合理性。
• 该模型预测的引力波幅度与观测到的Hellings-Downs角相关性模式一致，支持其宇宙起源而非天体物理的超大质量双星系统。
• 通过现有及未来实验（包括DUNE、IceCube-Gen2 和 LHC 上的 FPF）获得了对中微子门控耦合 gαβ 和媒介子质量 mϕ 的互补约束。
• 未来CMB实验（如CMB-S4、CMB-HD、CMB-Bharat 和 LiteBIRD）将对相变参数空间提供强有力的互补探测。
• UV完备模型（如质量型Majoron、逆见标模型和U(1)B−L模型）可实现有效中微子门控相互作用，并支持所提出的相变机制。

Figure 2: Scan over different parameters of FOPT: $T_{n}$ , $\beta/H$ , $v_{w}$ and $\alpha_{n}$ to find the minimum of $\chi_{\rm fit}^{2}$ for the best-fit point that matches the NANOGrav data for SGWB around $10^{-8}$ Hz.