[论文解读] Domain Wall Network: A Dual Solution for Gravitational Waves and Hubble Tension?

Ligong Bian, Shuailiang Ge+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出，早期宇宙中的畴壁网络可能同时解释帕克斯脉冲星计时阵列（Parkes Pulsar Timing Array）探测到的纳赫兹频段随机引力波背景，以及哈勃张力问题。研究显示，畴壁张力 $\sigma_{\rm DW} \sim (29-414\ \text{TeV})^3$ 和退耦温度 $T_d \sim 20-257\ \text{MeV}$ 可以解释观测到的共同幂律过程，同时产生自由粒子，这些粒子衰变为暗辐射，使哈勃张力从 4.1σ 降低至 2.7σ。

ABSTRACT

We explore the possibility that domain wall networks generate the stochastic gravitational wave background (SGWB) observed as a strong common power-law process in the Data Release-2 of Parkes Pulsar Timing Array. We find that a broad range of parameters, specifically wall tension around $σ_{ extrm{DW}} \sim (29-414 , extrm{TeV})^3$ and wall-decay temperature within $T_d \sim 20-257 , extrm{MeV}$, can explain this phenomenon at a $68\%$ credible level. Meanwhile, the same parameters could ease the Hubble tension if particles from these domain wall networks decay into dark radiation. We establish a direct analytical relationship, $Ω_{ extrm{GW}}(f_p,T_0) h^2 \sim Ω_{ extrm{rad}} h^2 ( Ω_νΔN_{ extrm{eff}})^2$, to illustrate this coincidence, underlining its importance in the underlying physics and potential applicability to a wider range of models and data. Conversely, if the common power-law process is not attributed to domain wall networks, our findings impose tight limits on the wall tension and decay temperature.

研究动机与目标

• 调查畴壁网络是否能解释帕克斯脉冲星计时阵列第二版数据中观测到的共同幂律过程。
• 评估是否相同的畴壁参数能够通过衰变产生的自由粒子生成暗辐射，从而缓解哈勃张力问题。
• 若共同幂律过程并非源于畴壁，建立对畴壁参数的稳健约束。
• 探索该双重解决方案在多个脉冲星计时阵列合作项目中的自洽性。
• 将畴壁参数映射至轴子模型，并评估其与现有及未来轴子搜索的兼容性。

提出的方法

• 作者分析帕克斯脉冲星计时阵列第二版数据，以搜索来自畴壁网络的随机引力波背景（SGWB）。
• 将 SGWB 谱建模为畴壁动力学特征的分段幂律，并与观测到的共同幂律过程进行比较。
• 畴壁网络的能量密度演化满足 $\rho_{\rm DW} \propto H(t)$，能量通过引力波和自由粒子释放。
• 假设自由粒子衰变为暗辐射，从而改变有效相对论自由度数量，进而缓解哈勃张力。
• 在 68% 置信水平下进行似然分析，以确定畴壁张力与退耦温度的允许参数区域。
• 本研究还考虑了其他假设（如信号源于超大质量双黑洞或未知背景），以推导对畴壁参数的保守约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 畴壁网络能否解释帕克斯脉冲星计时阵列第二版数据中观测到的共同幂律过程？
• RQ2 能否同时用相同的畴壁参数空间解释引力波信号并缓解哈勃张力？
• RQ3 在不同脉冲星计时阵列数据集中，解释 SGWB 与缓解哈勃张力的巧合有多稳健？
• RQ4 若共同幂律过程并非由畴壁引起，对畴壁参数的约束是什么？
• RQ5 该畴壁模型能否嵌入 QCD 轴子框架？预测的轴子质量是否与当前及未来的实验搜索一致？

主要发现

• 在 68% 置信水平下，畴壁张力 $\sigma_{\rm DW} \sim (29-414\ \text{TeV})^3$ 与退耦温度 $T_d \sim 20-257\ \text{MeV}$ 的畴壁网络可解释帕克斯脉冲星计时阵列第二版数据中的共同幂律过程。
• 同一参数区域在自由粒子衰变为暗辐射时，可使哈勃张力从 4.1σ 降低至 2.7σ。
• 该双重解释具有稳健性，且不依赖于特定畴壁属性，在包括 NANOGrav、EPTA 和 CPTA 在内的多个脉冲星计时阵列合作项目中均成立。
• 若共同幂律过程并非源于畴壁，本研究在 95% 置信水平下对畴壁参数设定了严格约束，排除了广泛的 $\sigma_{\rm DW}$ 与 $T_d$ 取值范围。
• 优选的畴壁参数对应轴子质量范围为 $m_a \sim 10^{-13}-10^{-8}\ \text{eV}$，与当前及未来的轴子搜索实验一致。
• 结果在不同网络规模 ($N_{\rm DW}$) 下保持一致，表明该参数空间具有稳健性。