[论文解读] Nano-Hertz gravitational waves from collapsing domain walls associated with freeze-in dark matter in light of pulsar timing array observations

Zhao Zhang, Chengfeng Cai+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2023

Superconducting and THz Device TechnologyPhysics and Astronomy参考文献 126被引用 3

一句话总结

该论文提出一个统一模型，其中由辐射诱导的 $Z_2$-对称性破坏势触发的坍缩畴壁产生的纳赫兹引力波，可解释脉冲星计时阵列（PTA）观测结果，而同一弱耦合费米子场则通过冻结产生机制生成暗物质。该模型在 $y_\chi \sim 10^{-10}$、$m_\chi \sim 0.17-7.5$ GeV 和 $m_s \sim 8.1\times10^4 - 10^6$ GeV 条件下，同时拟合了 NANOGrav 引力波信号与观测到的暗物质遗迹密度。

ABSTRACT

Evidence for a stochastic gravitational wave background in the nHz frequency band is recently reported by four pulsar timing array collaborations NANOGrav, EPTA, CPTA, and PPTA. It can be interpreted by gravitational waves from collapsing domain walls in the early universe. We assume such domain walls arising from the spontaneous breaking of a $Z_2$ symmetry in a scalar field theory, where a tiny $Z_2$-violating potential is required to make domain walls unstable. We propose that this $Z_2$-violating potential is radiatively induced by a feeble Yukawa coupling between the scalar field and a fermion field, which is also responsible for dark matter production via the freeze-in mechanism. Combining the pulsar timing array data and the observed dark matter relic density, we find that the model parameters can be narrowed down to small ranges.

研究动机与目标

• 通过坍缩畴壁解释脉冲星计时阵列（PTA）在纳赫兹频段观测到的随机引力波背景（SGWB）的宇宙起源。
• 通过一种弱相互作用费米子的冻结产生机制，解释观测到的暗物质遗迹密度。
• 构建 $Z_2$-对称性破坏势（用于畴壁坍缩）与产生暗物质的同一汤川耦合之间的动力学联系。
• 利用 PTA 引力波数据与实测暗物质丰度，同时约束模型参数，确保宇宙学一致性。

提出的方法

• 引入一个具有自发破缺 $Z_2$ 对称性的实标量场 $S$，在早期宇宙中导致畴壁形成。
• 通过 $S$ 与费米子 $\chi$ 之间的汤川耦合 $y_\chi$ 在一阶量子修正下引入微小的 $Z_2$-对称性破坏势，使畴壁不稳定。
• 将费米子 $\chi$ 建模为一种弱耦合的重质量粒子（FIMP），通过冻结产生机制生成，其遗迹密度由一阶修正的 $\kappa_1$ 项计算得出。
• 利用由诱导的 $Z_2$-对称性破坏势导出的壁坍缩能量密度与动力学特性，计算坍缩畴壁产生的引力波谱。
• 使用 NANOGrav 和 EPTA 数据的贝叶斯后验分布约束引力波幅度与频率，并与预测的 $\Omega_{\rm GW}^{\rm peak}$ 进行比较。
• 同时施加大爆炸核合成（BBN）与畴壁过闭合的宇宙学约束，以限制可行参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过具有辐射诱导 $Z_2$-对称性破坏势的 $Z_2$ 对称标量场理论，解释脉冲星计时阵列中观测到的纳赫兹频段随机引力波背景？
• RQ2 是否可能通过同一基本物理机制（特别是单一汤川耦合）同时解释观测到的暗物质遗迹密度与 PTA 引力波信号？
• RQ3 哪些 $y_\chi$、$m_\chi$ 与 $m_s$ 的取值范围可同时满足 PTA 引力波数据与实测暗物质丰度？
• RQ4 宇宙学约束（特别是畴壁过闭合与 BBN）如何限制该模型的可行参数空间？
• RQ5 用于畴壁坍缩的微小 $Z_2$-对称性破坏势是否可通过弱耦合在一阶量子修正下自然生成？

主要发现

• 该模型成功通过坍缩畴壁解释了 NANOGrav 与 EPTA 在纳赫兹频段观测到的随机引力波背景。
• 所需的 $Z_2$-对称性破坏势可通过 $y_\chi \sim 10^{-10}$ 的汤川耦合在一阶量子修正下自然生成，与暗物质的冻结产生机制一致。
• 质量为 $m_\chi \sim 0.17-7.5$ GeV、耦合常数 $y_\chi \in (4.6\times10^{-10}, 8.7\times10^{-10})$ 的费米子 $\chi$ 可重现观测到的暗物质遗迹密度 $\Omega_\chi h^2 = 0.12$。
• 当 $\lambda_S = 0.2$ 时，标量质量被约束在 $m_s \in (8.1\times10^4, 10^6)$ GeV 范围内，确保畴壁在宇宙过闭合前发生坍缩。
• NANOGrav 95%可信区间所青睐的参数区域与暗物质遗迹密度约束存在重叠，且仅当 $y_\chi \in (4.6\times10^{-10}, 8.7\times10^{-10})$ 时发生交集，表明存在一个紧密但可行的参数窗口。
• 来自 BBN 与畴壁过闭合的宇宙学约束并未排除 NANOGrav 95% 可信区域，证实了该模型的可行性。