[论文解读] Implications of NANOGrav results and UV freeze-in in a fast-expanding Universe

Basabendu Barman, Amit Dutta Banik+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 4

一句话总结

该论文提出一个暗物质 sector，包含一个Z₄奇偶对称的费米子χ和一个标量φ，在由新场φ驱动的快速膨胀宇宙中，其能量密度满足ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾，从而实现紫外冻结产生暗物质，并通过强一阶相变产生可被NANOGrav探测到的随机引力波背景。该模型同时解释了12.5年NANOGrav信号和PLANCK观测的暗物质丰度，要求n ≲ 4且T_R ∼ O(100) MeV。

ABSTRACT

Recent pulsar timing data reported by the NANOGrav collaboration indicates the existence of a stochastic gravitational wave (GW) background at a frequency $f\sim 10^{-8}~ m Hz$. We show that a dark sector consisting of a Standard Model (SM) gauge singlet fermion $χ$ and a singlet scalar $ϕ$, both charged under a $Z_4$ symmetry, is capable of generating such a low frequency GW via strong first order phase transition (SFOPT) through the modification of the standard cosmological history, where we assume faster-than-usual expansion at pre-BBN times driven by a new cosmological species $φ$ whose energy density red-shifts with the scale factor as $ρ_φ\propto a^{-\left(4+n ight)}$. Depending on the choice of the fast expansion parameters, reheat temperature and effective scale of the theory, it is also possible to address correct dark matter (DM) relic abundance via freeze-in. We show that a successful first order phase transition explaining NANOGrav results together with PLANCK observed DM abundance put bound on the fast expansion parameters requiring $n\lesssim 4$ to explain both.

研究动机与目标

• 在修改的宇宙学框架下，调和NANOGrav 12.5年脉冲星计时阵列结果——在∼10⁻⁸ Hz频段观测到的随机引力波背景——与可行的暗物质产生机制。
• 解决在非标准宇宙学历史（膨胀速度快于通常情况）下，通过强一阶电弱相变产生可探测引力波的挑战。
• 探讨紫外冻结产生机制（通过维度五算符）在快速膨胀背景下的行为，并约束所需耦合尺度与再加热温度，以匹配观测到的暗物质丰度。
• 推导出同时满足NANOGrav引力波信号与PLANCK暗物质丰度的快速膨胀参数（n, T_R）的自洽约束。

提出的方法

• 构建一个修改的早期宇宙模型，其中新宇宙组分φ的能量密度随红移满足ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾，导致大爆炸核合成前的哈勃膨胀速率加快。
• 引入一个由SM规范单态费米子χ（暗物质候选）和标量φ组成的暗物质 sector，二者均在Z₄对称性下变换，且与标准模型无可重整化相互作用。
• 通过维度五有效算符（如(H†H)(χ̄χ)/Λ）实现χ的紫外冻结产生，其中截断尺度Λ与耦合强度由观测到的丰度约束。
• 在修改的哈勃背景中，利用有效势与气泡壁动力学计算标量φ强一阶相变产生的引力波信号。
• 使用CosmoTransition程序包数值计算相变强度与引力波谱，并与NANOGrav 12.5年数据在2σ范围内进行比较。
• 通过要求同时满足观测到的引力波幅度与PLANCK的暗物质丰度，推导出n与T_R的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ρₚ ∝ a⁻⁽⁴⁺ⁿ⁾的快速膨胀宇宙中，是否可通过强一阶相变解释NANOGrav 12.5年观测到的∼10⁻⁸ Hz频段随机引力波背景？
• RQ2 快速膨胀如何改变暗物质的冻结产生过程？为匹配观测到的丰度，所需耦合尺度与再加热温度为何？
• RQ3 当同时要求满足NANOGrav引力波信号与PLANCK暗物质密度时，快速膨胀参数n与T_R的联合约束为何？
• RQ4 在非标准宇宙学背景中，Z₄单态标量φ能否触发强一阶相变？由此产生的引力波信号是否可被当前及未来观测台探测到？
• RQ5 在快速膨胀宇宙中，为通过紫外冻结产生足够暗物质，所需维度五算符的有效尺度Λ为何？与标准宇宙学情景相比有何不同？

主要发现

• 该模型通过快速膨胀宇宙中强一阶相变产生的随机引力波背景，成功在2σ置信度内解释了NANOGrav 12.5年脉冲星计时阵列数据。
• 存在一个一致的参数空间，可同时满足观测到的暗物质丰度（来自PLANCK）与NANOGrav引力波信号，要求n ≲ 4。
• 为在快速膨胀情景中获得正确的暗物质丰度，再加热温度必须为T_R ∼ O(100) MeV，高于标准宇宙学中的值。
• 在快速膨胀宇宙中，紫外冻结产生被显著抑制，因此需要更大的有效尺度Λ ≳ 10¹⁰ GeV才能产生足够暗物质，与标准情形相反。
• 在快速膨胀情景中，当规范耦合λ_Hφ ≳ 0.1时，相变足够强，可产生可探测的引力波，而标准宇宙学则需要大得多的耦合。
• 该模型的紫外完成与一个重的矢量型轻子（VLL）场耦合一致，当在尺度M_ψ ≡ Λ处积分掉VLL时，可自然产生紫外冻结产生所需的维度五算符。