[论文解读] Gravitational Waves from Domain Wall Collapse, and Application to Nanohertz Signals with QCD-coupled Axions

Naoya Kitajima, Junseok Lee+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 22

一句话总结

本文在温度依赖的 QCD 诱导偏置下，计算了来自阿克辛域壁崩溃的引力波，并表明由此产生的纳赫兹引力波谱可以解释 NANOGrav/PTA 数据，与阿克辛物理学及潜在的原初黑洞形成相关。

ABSTRACT

We study for the first time the gravitational waves generated during the collapse of domain walls, incorporating the potential bias in the lattice simulations. The final stages of domain wall collapse are crucial for the production of gravitational waves, but have remained unexplored due to computational difficulties. As a significant application of this new result, we show that the observed NANOGrav, EPTA, PPTA, and CPTA data, which indicate stochastic gravitational waves in the nanohertz regime, can be attributed to axion domain walls coupled to QCD. In our model, non-perturbative effects of QCD induce a temperature-dependent bias around the QCD crossover, inducing the rapid collapse of the domain walls. We use sophisticated lattice simulations that account for the temperature-dependent bias to measure the gravitational waves resulting from the domain wall annihilation. We also discuss the future prospects for accelerator-based searches for the axion and the potential for the formation and detection of primordial black holes.

研究动机与目标

• 激发并研究超越标准模型情景中域壁崩溃产生的引力波。
• 将来自 QCD 效应的温度依赖偏置引入域壁湮灭的晶格模拟中。
• 预测由此产生的引力波谱并与 NANOGrav、EPTA、PPTA、CPTA 数据进行比较。
• 探索与 QCD 耦合的阿克辛、加速器探测以及可能的原初黑洞形成的联系。

提出的方法

• 用具有余弦形的周期势和张力 sigma 建模阿克辛域壁。
• 引入在 T_QCD 附近提升简并性的温度依赖性 QCD 诱导偏置，并触发快速的 DW 崩溃。
• 进行 phi^4 理论的 4096^3 晶格模拟，带有时变偏置，以捕捉后期 DW 湮灭。
• 通过在 T_eq 处使用 H(T_eq) 和 chi(T_eq) 进行匹配，将模拟输出与物理参数联系起来。
• 估计来自 DW 湮灭的当前引力波谱，包括峰值频率 f_peak，以及峰值能量 Omega_GW,0^peak，考虑延迟和偏置效应。
• 使用数值结果拟合 f_peak 和 Omega_GW,0^peak，加入系数 C_f 与 C_Omega，以解释非瞬时湮灭和尺度化区间修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 耦合到 QCD 的阿克辛域壁能否在纳赫兹量级产生可被脉冲星定时阵列探测到的随机引力波背景？
• RQ2 温度依赖的 QCD 偏置如何影响域壁坍缩时序和由此产生的引力波谱，与恒定偏置模型相比？
• RQ3 在阿克辛质量与衰变常数的参数空间（带 n_g, n）中，哪些可解释 NANOGrav 规模信号，实验意义为何？
• RQ4 域壁坍缩是否会产生可观测的原初黑洞，以及对阿克辛探测的相关表型后果？

主要发现

• 来自 DW 湮灭的引力波谱，带有温度依赖偏置，在 sigma ~ 10^14–10^16 GeV^3 时可以与 NANOGrav 及其他 PTA 数据相匹配。
• 由虚假真空能量放大推动的晚期 DW 碰撞主导引力波产生，改变了谱形，与尺度化区间预期不同。
• 当湮灭发生在接近 QCD 标尺时，预测的引力波峰位于纳赫兹带，与 PTA 观测一致。
• 解释 NANOGrav 结果的阿克辛参数空间很广，并可在即将到来的加速器实验中进行测试。
• 该情景也允许在 DW 湮灭时段附近形成可能的原初黑洞。