[论文解读] Fingerprint of GeV scale right-handed neutrinos on inflationary gravitational waves and PTA data

Satyabrata Datta, Rome Samanta|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 24被引用 5

一句话总结

该论文提出，在 seesaw 模型中，GeV 能量尺度的右手中微子（RHNs）通过标量场相变产生非标准的后暴胀物质主导时期，从而抑制蓝倾斜的暴胀引力波（GWs），使其与脉冲星计时阵列（PTA）数据相符。该模型预测了可由先进 LIGO 检测到的相关高频引力波特征，将 PTA 与 LIGO 观测结果联系起来，以约束 RHN 质量和混合参数，为宇宙学与粒子物理提供统一的检验途径。

ABSTRACT

We show that the seesaw mechanisms that exhibit right-handed neutrino mass-dependent non-standard post-inflationary cosmology make blue-tilted inflationary gravitational waves (GW) compatible with the recent findings of nHz stochastic GW background by the pulsar-timing arrays (PTAs) for high reheating temperatures. The right-handed neutrino (RHN) mass scale has to be $\mathcal{O}( m GeV)$. Remarkably, such a scenario produces a correlated signature testable by the future LIGO run. In addition to contributing to the active neutrino masses, $\mathcal{O}( m GeV)$ RHNs generate baryon asymmetry of the universe via low-scale-leptogenesis. They can be searched for in collider experiments. Therefore, the recent detection by PTAs is not only exciting for GWs in the nHz range; it paves the way to test and constrain well-studied mechanisms, such as seesaws, with a low-frequency and a correlated measurement of high-frequency GW spectral features, complementary to particle physics searches.

研究动机与目标

• 调和蓝倾斜暴胀引力波与 PTA 在 nHz 频率段观测到的随机引力波背景之间的矛盾。
• 解释 GeV 能量尺度的右手中微子（RHNs）如何在暴胀后引发非标准物质主导时期，从而抑制引力波以满足大爆炸核合成的约束。
• 建立 RHN 质量、引力波谱特征与先进 LIGO 可探测性之间的预测性关联。
• 通过 seesaw 机制将宇宙学引力波信号与粒子物理统一起来，涵盖低尺度轻子生成与可被对撞机探测的 RHN。
• 推动结合 PTA、LIGO 以及未来对撞机实验（如 SHiP 和 MATHUSLA）对 RHN 的联合搜索。

提出的方法

• 通过标量场相变机制建模 RHN 质量生成，其中 $ M = f_N v_\Phi $，$ f_N $ 为 Yukawa 耦合常数。
• 推导衰变宽度 $ \Gamma \propto f_N^2 $，将 RHN 寿命与 $ f_N $ 关联，从而与物质主导持续时间关联。
• 计算物质主导时期产生的熵，该过程抑制了蓝倾斜引力波的振幅。
• 利用 $ T_\Phi $ 作为关键参数，计算由于物质主导和再加热导致的具有峰-谷-峰结构的引力波功率谱。
• 将模型的引力波谱与 NANOGrav 15 年数据匹配，固定 RHN 质量为 $ \mathcal{O}(\text{GeV}) $，且 $ T_{\text{RH}} \gtrsim 10 $ GeV。
• 预测先进 LIGO 对第二引力波峰红外尾部的探测能力，该信号与 PTA 信号具有相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 GeV 能量尺度的右手中微子能否解释脉冲星计时阵列观测到的 nHz 随机引力波背景？
• RQ2 RHN 质量标度如何决定非标准物质主导时期的持续时间，以及由此导致的蓝倾斜引力波的抑制程度？
• RQ3 该模型中，低频（PTA）与高频（LIGO）引力波信号之间存在何种预测的相关性？
• RQ4 同一 RHN 体系是否能同时通过低尺度轻子生成机制产生活性中微子质量与重子不对称性？
• RQ5 该模型对 RHN 与活性中微子的混合施加了何种约束？这些约束是否与对撞机和天体物理观测结果一致？

主要发现

• 该模型在 2σ 置信水平下，RHN 质量标度为 $ \mathcal{O}(\text{GeV}) $，具体范围为 $ M \in [1, 47] $ GeV，与 NANOGrav 15 年数据拟合良好。
• 在先进 LIGO（ALIGO）频段，对于 $ M \in [2.5, 47] $ GeV 的质量范围，引力波谱中存在可探测的谱特征（第二峰的红外尾部），使该信号具备可检验性。
• 若 ALIGO 未观测到 SGWB，将排除与 PTA 数据一致的参数空间的大部分区域，提供可证伪的预测。
• 该模型在 PTA 与 LIGO 之间预测了相关联的信号特征，使得可通过多波段观测对同一物理机制进行联合检验。
• RHN 质量与混合参数可独立约束：$ |U_\mu|^2 \sim m_\nu / M $，其中 $ m_\nu \approx 0.05 $ eV，且 $ M \in [2.5, 47] $ GeV 的区域对未来的 SHiP 和 MATHUSLA 等实验可探测。
• 该模型还可能因 B-L 相变产生宇宙弦引力波，导致具有峰-平台-峰结构的引力波谱，与标准物质主导模型的谱型明显不同。