[论文解读] Gravitational Waves from Supercool Axions

Luigi Delle Rose, Giuliano Panico+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2019

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 41被引用 116

一句话总结

论文分析了 Peccei–Quinn 相变对于 QCD 轴子的影响，显示具有强超冷效应的第一性相变，产生在 100–1000 Hz 范围内的随机引力波，可能被 LIGO 与未来探测器探测。

ABSTRACT

We study the dynamics of the Peccei-Quinn (PQ) phase transition for the QCD axion. In weakly coupled models the transition is typically second order except in the region of parameters where the PQ symmetry is broken through the Coleman-Weinberg mechanism. In strongly coupled realizations the transition is often first order. We show examples where the phase transition leads to strong supercooling lowering the nucleation temperature and enhancing the stochastic gravitational wave signals. The models predict a frequency peak in the range 100-1000 Hz with an amplitude that is already within the sensitivity of LIGO and can be thoroughly tested with future gravitational wave interferometers.

研究动机与目标

• 在各种轴子模型中研究 Peccei–Quinn 相变的本质。
• 确定 PQ 过渡何时是第一阶并能产生强超冷。
• 预测由此产生的引力波信号及其在当前及未来干涉仪中的可探测性。
• 探讨弱耦合（基本粒子）与强耦合（复合）轴子情景。
• 评估过渡后的再热与宇宙学约束的影响。

提出的方法

• 分析 elementary axion 模型中的 KSVZ 型和辐射 PQ 破裂情景。
• 计算包含 Coleman–Weinberg 贡献与热校正的有限温度有效势。
• 评估跳跃动作 S3/T 与成核温度 Tn，以建立超冷等级。
• 推导泡沫碰撞引起的引力波谱，并将峰值频率与模型参数联系起来。
• 研究 RG 改进势与规/四次项主导的动力学。
• 把讨论扩展到来自规范理论与共形扇区的复合轴子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同轴子实现中，PQ 相变是第一阶还是二阶的条件是什么？
• RQ2 超冷如何影响成核温度及由此产生的引力波信号？
• RQ3 在这些情景中预期的特征性 GW 频率与幅度范围是多少，是否在 LIGO/ET 的探测能力范围内？
• RQ4 弱耦合的基本轴子与复合/强耦合轴子在相变动力学与 GW 产生方面有何差异？

主要发现

• 模型预测的引力波谱在 100–1000 Hz 范围内具有峰值。
• 预测的 GW 振幅可能在当前 LIGO 的灵敏度范围内，并可通过未来探测器如 Einstein Telescope 进行测试。
• 强超冷通过延长相变时间并增加泡泡碰撞贡献来增强 GW 信号。
• 在弱耦合的 KSVZ 风格模型中， PQ 相变通常为二阶，除非辐射/ Coleman–Weinberg 机制使其成为第一阶。
• 在复合/强耦合轴子情景中， PQ 相变可能为第一阶，但成核可能迅速进行，超冷程度较小，导致 GW 信号相对被抑制。