[论文解读] Have pulsar timing array methods detected a cosmological phase transition?

Andrea Addazi, Yi-Fu Cai+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 55被引用 7

一句话总结

本文提出，脉冲星计时阵列（PTA）合作组织（包括NANOGrav、EPTA、PPTA和CPTA）探测到的引力波背景（GWB）可由一个涉及马约拉纳玻色子（majoron）的暗物质 sector中的一阶相变（FOPT）解释，该马约拉纳玻色子是自发性U(1)ₗ或U(1)ᵣ₋ₗ对称性自发破缺产生的Nambu-Goldstone玻色子。该模型预测的引力波功率谱与NANOGrav 15年数据在1-σ偏差范围内一致，临界温度T* ≈ 1–100 MeV，相变强度α ≈ 0.1–0.3，为观测到的nHz频段随机引力波背景提供了自然且非人为的解释。

ABSTRACT

We show that the recent detection of a gravitational wave (GW) background reported by various pulsar timing array (PTA) collaborations including NANOGrav-15yr, PPTA, EPTA, and CPTA can be explained in terms of first order phase transitions (FOPTs) from dark sector models (DSM). Specifically, we explore a model for first order phase transitions that involves the majoron, a Nambu-Goldstone boson that is emerging from the spontaneous symmetry breaking of a $U(1)_{L}$ or $U(1)_{B-L}$ symmetry. We show how the predicted GW power spectrum, with a realistic choice of the FOPT parameters, is consistent with 1-$σ$ deviations from the estimated parameters of the background detected by the PTA collaborations.

研究动机与目标

• 研究最近在nHz频段探测到的随机引力波背景（GWB）是否可由宇宙学中的一阶相变（FOPT）解释。
• 探讨一个最小暗物质区模型，其中包含由自发U(1)ₗ或U(1)ᵣ₋ₗ对称性破缺产生的马约拉纳玻色子，作为GWB的可行来源。
• 检验此类FOPT所预测的引力波功率谱是否与PTA合作组织（包括NANOGrav、EPTA、PPTA和CPTA）的观测参数一致。
• 评估该模型与现有现象学约束的兼容性，并评估其在不同PTA数据集中的鲁棒性。

提出的方法

• 该研究采用标准模型的最小扩展，引入一个复标量单态场σ = φ + iJ，其中J为马约拉纳玻色子，通过|ΔL| = 2的马约拉诺算符hₗσνₗνₗ实现耦合。
• 标量 sector 由势能V₀(σ, H)描述，其中包含更高阶的有效算符V′′₀和V′′′₀，诱导暗物质区中的第一类相变。
• 利用标准FOPT形式化方法计算引力波功率谱，贡献来自气泡碰撞和声波，谱指数γ通过模拟推导得出，公式为γ = 2 + 21f²/(3f² + 4f²_sw)。
• 峰值频率f_sw与气泡壁速度v_B及相变时刻的哈勃率倒数β/H*相关，红移修正后的特征频率取决于βT*/H*。
• 通过将预测的引力波振幅A*和谱指数γ与NANOGrav 15年数据对比，利用1-σ置信区域，对模型参数（α, T*, v_B）进行约束。
• 分析包括基准模型，其中T* = 1 MeV和T* = 100 MeV，α从0.1到0.3变化，以绘制与观测约束兼容的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否用包含马约拉纳玻色子场的暗物质区中的一阶相变来解释脉冲星计时阵列探测到的随机引力波背景？
• RQ2 相变强度α和临界温度T*的可行参数范围是什么，才能重现NANOGrav观测到的GWB振幅和谱指数？
• RQ3 该模型是否与NANOGrav 15年数据的1-σ偏差一致？是否也能容纳EPTA、PPTA和CPTA的结果？
• RQ4 基于马约拉纳玻色子的FOPT情景是否避免了与现有现象学约束的冲突，同时为nHz频段GWB提供自然解释？
• RQ5 能否将核子化温度T* ≈ 1–100 MeV与温暗物质模型（如马约拉纳情景）联系起来，从而建立多信使关联？

主要发现

• 基于马约拉纳玻色子的暗物质区中的一阶相变所预测的引力波功率谱，与NANOGrav 15年数据的1-σ置信区域一致，对应临界温度T* ≈ 1–100 MeV，相变强度α ≈ 0.1–0.3。
• 该模型在NANOGrav合作组织分析的1-σ不确定度范围内，重现了观测到的特征应变振幅A*和谱指数γ，表明高度兼容。
• 由NANOGrav 15年数据导出的参数区域βT*/H* ≈ 2.4–4.3，可通过合理选择v_B、α和T*在模型中实现，证实了FOPT机制的可行性。
• 核子化温度T* ≈ 1–100 MeV位于温暗物质模型的相关范围内，暗示GWB起源与暗物质物理之间可能存在潜在联系。
• 该模型在多个PTA合作组织中表现稳健：相同的FOPT参数也能够在2-σ置信水平内兼容EPTA、PPTA和CPTA的结果，表明具有广泛一致性。
• 本研究表明，GWB的起源并非人为设定，而是源于一个动机充分的暗物质区模型，其自发U(1)ₗ或U(1)ᵣ₋ₗ破缺无需精细调节。