[论文解读] Metastable cosmic strings

W. Buchmüller, Valerie Domcke+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Radio Astronomy Observations and Technology被引用 2

一句话总结

本文研究了大统一理论（GUTs）中的亚稳态宇宙弦，其中弦通过量子隧穿衰变为单极子-反单极子对。研究表明，此类弦产生的引力波（GW）频谱在低频处被抑制——与近期脉冲星计时阵列（PTA）数据相符——同时仍可被LISA和地面探测器探测到，为具有GUT尺度弦张力和衰变参数√κ ≳ 8的纳赫兹引力波背景提供了一个可行解释。

ABSTRACT

Many symmetry breaking patterns in grand unified theories (GUTs) give rise to cosmic strings that eventually decay when pairs of GUT monopoles spontaneously nucleate along the string cores. These strings are known as metastable cosmic strings and have intriguing implications for particle physics and cosmology. In this article, we discuss the current status of metastable cosmic strings, with a focus on possible GUT embeddings and connections to inflation, neutrinos, and gravitational waves (GWs). The GW signal emitted by a network of metastable cosmic strings in the early universe differs, in particular, from the signal emitted by topologically stable strings by a suppression at low frequencies. Therefore, if the underlying symmetry breaking scale is close to the GUT scale, the resulting GW spectrum can be accessible at current ground-based interferometers as well as at future space-based interferometers, such as LISA, and at the same time account for the signal in the most recent pulsar timing data sets. Metastable cosmic strings thus nourish the hope that future GW observations might shed light on fundamental physics close to the GUT scale.

研究动机与目标

• 探讨在单极子介导衰变下，GUT中产生的亚稳态宇宙弦的宇宙学与粒子物理意义。
• 评估亚稳态宇宙弦是否可解释脉冲星计时阵列（PTA）数据中观测到的随机引力波背景（SGWB）。
• 确定与当前及未来引力波观测一致的GUT尺度弦张力和衰变参数的可行性。
• 将引力波信号与基本物理联系起来，包括中微子质量、轻子生成以及暴胀。
• 评估未来干涉仪（LISA、地面探测器）区分亚稳态弦与天体物理SGWB源的潜力。

提出的方法

• 通过衰变率Γd = μ/(2π) exp(−πκ)建模亚稳态宇宙弦，其中κ = m²_M / μ，m_M为单极子质量。
• 计算由亚稳态弦网络产生的随机引力波背景（SGWB）频谱，考虑随时间变化的衰变过程。
• 使用频谱倾斜nt和幅度Ω_gw h²作为关键可观测量，与PTA数据进行比较。
• 分析引力波频谱的频率依赖性，表明由于晚期衰变导致低频处被抑制。
• 应用来自地面干涉仪（LIGO/Virgo）和LISA的约束，以限制弦张力Gμ和衰变参数√κ。
• 评估GUT实现，特别是B−L对称性破缺的SO(10)模型，以实现√κ ≳ 8和vs ≥ few × 10¹⁴ GeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有GUT尺度张力的亚稳态宇宙弦能否解释PTA数据中观测到的纳赫兹引力波背景？
• RQ2 宇宙弦衰变为单极子对如何抑制低频引力波频谱，且该机制是否可解释观测到的频谱倾斜？
• RQ3 当前及未来的引力波探测器（LISA、LIGO/Virgo）对弦张力Gμ和衰变参数√κ施加了何种约束？
• RQ4 亚稳态宇宙弦如何与GUT模型中的中微子质量生成和热轻子生成相联系？
• RQ5 来自亚稳态弦的SGWB各向同性能否将其与超大质量双黑洞预期的各向异性信号区分开？

主要发现

• 观测到的PTA信号具有频谱倾斜nt ≳ 1，幅度Ω_gw h² ≈ 10⁻¹⁰至10⁻⁹，支持弦张力范围为10⁻¹¹ ≲ Gμ ≲ 10⁻⁷。
• 为抑制低频引力波并匹配PTA数据，需满足√κ ≳ 8，意味着单极子与弦尺度几乎简并。
• 亚稳态弦产生的引力波频谱在PTA频段表现出特征性抑制，可将其与稳定弦及天体物理源区分开。
• LISA和地面探测器可探测到Gμ ≲ 10⁻¹⁷的弦张力，从而可对GUT尺度的亚稳态弦进行确证性检验。
• 该模型要求vs ≥ few × 10¹⁴ GeV，接近GUT尺度，且√κ ≈ 8.3，对GUT模型构建施加了强烈约束。
• 未来PTA数据和多波段引力波观测将对区分亚稳态宇宙弦与天体物理SGWB源至关重要。