[论文解读] NANOGrav Signal from a Dark Conformal Phase Transition

Kohei Fujikura, Sudhakantha Girmohanta+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Pulsars and Gravitational Waves Research被引用 4

一句话总结

本文提出，NANOGrav的低频引力波信号源于一个与可见标准模型热解耦的近共形暗物质领域中的的一级相变。通过使用具有翘曲额外维度的5维全息模型，作者表明该相变可产生与NANOGrav数据相符的随机引力波背景，同时满足隔离暗物质领域情景下的ΔN_eff约束，并可能通过暗辐射缓解哈勃张力。

ABSTRACT

We explore the possibility that a confining first-order phase transition of a nearly-conformal dark sector generates the reported NANOGrav signal of a stochastic gravitational wave background. The visible Standard Model (SM) sector and the dark sector are initially thermally decoupled so that their temperatures are different. The nearly conformal phase transition is described by the shallow potential of a dilaton (or a radion in the 5D holographic perspective) generated by a new dark Yang-Mills field coupled to the conformal sector. For a dark sector only gravitationally connected with the visible sector, the NANOGrav signal is explained by the phase transition without contradicting the $ΔN_{ m eff}$ constraint, together with a contribution from supermassive black hole binaries. While the dilaton and dark glueballs can be produced after the phase transition, they immediately decay into dark radiation, which can help ameliorate the Hubble tension and be tested by the future CMB-S4 experiment. Alternatively, for a dark conformal sector decaying into the visible sector after the phase transition, the $ΔN_{ m eff}$ constraint is not applied and the phase transition can solely explain the NANOGrav signal.

研究动机与目标

• 通过近共形暗物质领域中的一级相变，解释NANOGrav的随机引力波背景信号。
• 通过5维全息兰德尔-兰德斯模型构建一个具体的、弱耦合的粒子物理模型，其中相变由一种新的暗杨-米尔斯场驱动。
• 通过考虑隔离和衰变的暗物质领域情景，确保与宇宙学约束的一致性，特别是ΔN_eff约束。
• 探索由此产生的暗辐射组分缓解哈勃张力的潜力，并可被未来的CMB-S4实验探测。

提出的方法

• 使用具有翘曲额外维度的5维全息框架建模近共形暗物质领域，其中径子场介导相变。
• 通过与共形领域耦合的新5维暗杨-米尔斯场，构建径子（或标度场）的浅势能，实现强烈的首阶相变。
• 利用AdS/CFT对应关系将5维全息模型映射到4维有效场论，从而计算由气泡碰撞和声波产生的引力波。
• 使用公式 α′ ≃ 0.07(ΔN_eff/0.5)(g*_s/g*_s0)^{4/3}(g*^{(D)}/g*^{(D)}_0)(g*_s0^{(D)}/g*_s^{(D)})^{4/3} 计算引力波能量密度参数 α′，并将其与宇宙学可观测量关联。
• 分析两种情景：(1) 隔离暗物质领域，其中暗辐射持续存在并影响ΔN_eff；(2) 衰变暗物质领域，其中ΔN_eff约束被放宽。
• 将预测的引力波谱与NANOGrav 15年数据进行比较，要求 α′ ≃ 0.1–10 且 β/H_* ≃ 4–21 才能匹配观测到的信号幅度。

(a)

实验结果

研究问题

• RQ1 在近共形暗物质领域中，禁闭的一级相变能否产生与NANOGrav 15年信号一致的随机引力波背景？
• RQ2 暗物质与可见物质领域之间的热解耦如何影响ΔN_eff约束以及相变模型的可行性？
• RQ3 相变后产生的暗辐射在缓解哈勃张力方面起什么作用？
• RQ4 具有翘曲额外维度的5维全息模型能否提供一个弱耦合且可计算的相变动力学描述？
• RQ5 气泡碰撞与声波对引力波振幅的贡献有何不同？哪些参数范围可使模型拟合NANOGrav数据？

主要发现

• 在近共形暗物质领域中，禁闭的一级相变可产生幅度为 α′ ≃ 0.1–10 的随机引力波背景，当 β/H_* ≃ 4–21 且 T_* ≃ 10 MeV–0.12 GeV 时，与NANOGrav信号一致。
• 在隔离暗物质领域情景中，相变产生贡献于 ΔN_eff ≃ 0.6 的暗辐射，与保守约束 ΔN_eff < 0.7 一致，并可能缓解哈勃张力。
• 该模型仅在隔离暗物质领域情况下满足ΔN_eff约束；在衰变暗物质领域情况下，约束被放宽，允许更大的 α′ 和更强的引力波信号。
• 相变后由标度子和胶球衰变产生的暗辐射可被未来的CMB-S4实验探测。
• 通过新5维暗杨-米尔斯场生成的径子势能，5维全息模型提供了一个可行且可计算的框架，用于实现强烈的首阶相变。
• 该模型仅部分避免了宇宙学巧合问题，因为相变时暗物质与可见物质领域能量密度相等的要求仍是一个微调问题。

(b)