[论文解读] Novel Physics with International Pulsar Timing Array: Axionlike Particles, Domain Walls and Cosmic Strings

Deng Wang|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

本文利用国际脉冲星计时阵列（IPTA）数据发布2（DR2）对标准模型之外的轻度新物理进行约束，包括轴子样粒子、域壁和宇宙弦。研究发现对宇宙弦张力的强约束（log₁₀ Gμ = −8.93⁺⁰.¹²₋₀.₀₆，90%置信区间），在超过2σ的水平上排除了NANOGrav所青睐的轴子模型，并表明IPTA数据中等程度偏好共同幂律模型而非轴子和域壁模型，但当前数据尚无法将该模型与宇宙弦区分开来。

ABSTRACT

After NANOGrav, the IPTA collaboration also reports a strong evidence of a stochastic gravitation wave background. This hint has very important implications for fundamental physics. With the recent IPTA data release two, we attempt to search signals of light new physics. and give new constraints on the audible axion, domain walls and cosmic strings models. We find that the best fit point corresponding to a decay constant $F\approx5 imes10^{17}$ GeV and an axion mass $m_a\approx2 imes10^{-13}$ eV from NANOGrav data is ruled out by IPTA at beyond $2σ$ confidence level. Fixing the coupling strength $λ=1$, we obtain a $2σ$ lower bound on the breaking scale of $Z_2$ symmetry $η>135$ TeV. Interestingly, we give a very strong restriction on the cosmic-string tension $\mathrm{log}_{10}\,Gμ=-8.93_{-0.06}^{+0.12}$ at $1σ$ confidence level. Employing the rule of Bayes factor, we find that IPTA data has a moderate, strong and inconclusive preference of an uncorrelated common power-law (CPL) model over audible axion, domain walls and cosmic strings, respectively. This means that it is hard to distinguish CPL from cosmic strings with current observations and more pulsar timing data with high precision are required to give new clues of underlying physics.

研究动机与目标

• 检验NANOGrav和IPTA探测到的随机引力波背景（SGWB）信号是否可由标准模型之外的轻度新物理解释。
• 利用高精度的IPTA DR2脉冲星计时数据，对新物理的具体模型——轴子样粒子、域壁和宇宙弦——进行约束。
• 通过贝叶斯证据比较不同SGWB模型（CPL、轴子、域壁、宇宙弦）的拟合优度，评估哪一模型最符合数据。
• 确定IPTA信号是否与已知天体物理源一致，或指向新物理，特别是在大统一理论的背景下。

提出的方法

• 本研究使用IPTA数据发布2（包含65颗脉冲星的计时残差），分析低频随机引力波背景。
• 采用贝叶斯推断方法，利用贝叶斯因子（Jeffreys尺度）比较四种模型的证据：共同幂律（CPL）、可听轴子、域壁和宇宙弦。
• 为每种新物理情景建模引力波能量密度谱 ΩGW(f)h²，关键参数包括轴子衰变常数F、Z₂对称性破缺尺度η，以及宇宙弦张力Gμ。
• 对于轴子样粒子，模型采用反常不稳定性机制，通过与暗光子场耦合产生引力波，其谱依赖于F和ma。
• 对于域壁，模型假设Z₂对称性破缺尺度η和耦合强度λ，引力波来自壁的振荡。
• 对于宇宙弦，模型采用环生成与衰变框架，参数包括α（环尺寸）和Gμ（弦张力），其来源于弦网络的能量损失。

实验结果

研究问题

• RQ1 IPTA探测到的随机引力波背景能否由轴子样粒子解释？其衰变常数F和质量ma受到何种约束？
• RQ2 在耦合强度λ = 1的假设下，域壁模型的Z₂对称性破缺尺度η受到何种约束？
• RQ3 利用IPTA DR2数据，宇宙弦张力Gμ和环尺寸参数α的约束有多紧？
• RQ4 基于贝叶斯证据，共同幂律（CPL）模型是否在统计上优于轴子样粒子、域壁或宇宙弦模型？
• RQ5 当前IPTA数据能否区分CPL模型与宇宙弦起源的SGWB？

主要发现

• NANOGrav所青睐的最佳拟合轴子模型（F ≈ 5×10¹⁷ GeV，ma ≈ 2×10⁻¹³ eV）被IPTA在超过2σ的置信水平下排除。
• 在λ = 1的假设下，获得Z₂对称性破缺尺度的2σ下限：η > 135 TeV。
• 宇宙弦张力被约束为 log₁₀ Gμ = −8.93⁺⁰.¹²₋₀.₀₆（90%置信区间），表明约束极为严格。
• 自发U(1)对称性破缺尺度被约束在 s ∼ [1.01, 1.24]×10¹⁵ GeV 之间，暗示其可能与大统一理论相关。
• 贝叶斯证据显示，CPL模型在统计上显著优于域壁模型，对轴子样粒子模型也表现出中等偏好，但CPL与宇宙弦模型之间无显著偏好差异。
• CPL与宇宙弦模型的不可区分性表明，需要更高精度的脉冲星计时数据才能揭示其背后的新物理机制。