[论文解读] Footprints of Axion-Like Particle in Pulsar Timing Array Data and James Webb Space Telescope Observations

Shu-Yuan Guo, Maxim Khlopov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 42

一句话总结

这篇论文将通过脉冲星定时阵列检测到的随机引力波背景与类轴子粒子域壁联系起来，预测同时能解释 JWST 高红移星系观测的 ALP 参数，并提出在未来实验中进行测试。

ABSTRACT

Several Pulsar Timing Array (PTA) collaborations have recently reported the evidence for a stochastic gravitational-wave background (SGWB), which can unveil the formation of primordial seeds of inhomogeneities in the early universe. With the SGWB parameters inferred from PTAs data, we can make a prediction of the seeds for early galaxy formation from the domain walls in the axion-like particles (ALPs) field distribution. This also naturally provides a solution to the observation of high redshifts by the James Webb Space Telescope. The predicted photon coupling of the ALP is within the reach of future experimental searches.

研究动机与目标

• 激发 PTAs 的 SGWB 信号与 axion-like particle 宇宙学之间的联系。
• 提出一个 ALP 域壁具有半径变化而产生 SGWB 的机制。
• 展示 ALP 诱导的 PBH 种子如何解决 JWST 观察到的早期 AGN 形成问题。
• 界定 ALP 参数空间并概述未来探测器中的实验测试。

提出的方法

• 用复场 Psi = psi exp(i theta) 描述 ALP 模型，以及产生域壁的势 V = V0 + delta V。
• 从域壁动力学推导 GW 光谱，得到 Omega_GW(f)，其中来自域壁逃逸到婴儿宇宙和域壁塌缩的两种贡献。
• 通过 h_c(f) 与 Omega_GW(f) 将 GW 光谱与 PTA 类幂律信号联系起来，斜率 gamma 在 [3.5,5.5]。
• 将 ALP 参数 fa 与 Lambda 与推断的 SGWB 振幅 A 和斜率 gamma 联系起来，并推导 ALP 质量 ma ~ 10^-14 eV。
• 将 ALP 诱导的 PBH 形成及质量谱与 JWST 对早期星系形成的种子需求联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在涨落期间的 ALP 域壁动力学是否能产生具有观测到的 PTA 特征的 SGWB？
• RQ2 哪些 ALP 参数范围（fa, Lambda）与 PTA 数据和 JWST 高-z 星系观测相兼容？
• RQ3 来自 ALP 域壁的预测 PBH 种子是否为 JWST 看到的早期 AGN 形成提供可行机制？
• RQ4 基于推断的 ma 与 fa，对未来腔体实验中 ALP 寻找有哪些可测试的预测？
• RQ5 ALP 情景与其他 SGWB 来源在解释 PTA 结果方面有何比较？

主要发现

• PTA 数据在 1 sigma 内偏好 fa ~ 1.2 x 10^14 GeV 与 Lambda ~ 1.6 x 10^-5 GeV 的 ALP 情景。
• 推断的 ALP 质量约为 ma ~ 10^-14 eV，并且预测 GW 光谱与频率之间存在相关性。
• 模型将 SGWB 与 PBH 种子形成联系起来，可能解释 JWST 观测到的高红移大质量星系。
• 推导出 PBH 种子质量范围，限制 PBH 与 ALP 参数空间以吻合 JWST 与 PTA 结果。
• 该参数空间可由未来腔体实验（如 DANCE）测试，并将被 SKA、LISA 与 BBO 的投影所探测。