[论文解读] QCD-Collapsed Domain Walls: QCD Phase Transition and Gravitational Wave Spectroscopy

Y. Bai, Ting-Kuo Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2023

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 4

一句话总结

本文提出，QCD反常离散对称性导致畴壁在QCD相变附近通过QCD瞬子效应坍缩，产生可由脉冲星计时阵列探测的引力波（GW）。研究显示，在有效θ角较大的区域中，一阶QCD相变可产生额外的高频引力波，形成从纳赫兹到100 Hz的多波段引力波光谱，为标准模型之外的新物理提供可检验的特征。

ABSTRACT

For a discrete symmetry that is anomalous under QCD, the domain walls produced in the early universe from its spontaneous breaking can naturally annihilate due to QCD instanton effects. The gravitational waves generated from wall annihilation have their amplitude and frequency determined by both the discrete symmetry breaking scale and the QCD scale. The evidence of stochastic gravitational waves at nanohertz observed by pulsar timing array experiments suggests that the discrete-symmetry-breaking scale is around 100 TeV, assuming the domain-wall explanation. The annihilation temperature is about 100 MeV, which could naturally be below the QCD phase transition temperature. We point out that the QCD phase transition within some domains with an effective large QCD $θ$ angle could be a first-order one. To derive the phase diagram in $θ$ and temperature, we adopt a phenomenological linear sigma model with three quark flavors. The domain-wall explanation for the NANOGrav, EPTA, PPTA and CPTA results hints at a first-order QCD phase transition, which predicts additional gravitational waves at higher frequencies. If the initial formation of domain walls is also a first-order process, this class of domain-wall models predicts an interesting gravitational wave spectroscopy with frequencies spanning more than ten orders of magnitude, from nanohertz to 100 Hz.

研究动机与目标

• 探索早期宇宙中因QCD瞬子效应而坍缩的畴壁所发出的引力波（GW）特征。
• 研究在有效θ角较大的区域中，QCD相变是否可能为一阶相变，特别是当θ ≈ π时。
• 从畴壁湮灭和一阶QCD相变两方面推导多频段引力波谱，实现全面的引力波光谱分析。
• 将脉冲星计时阵列观测到的纳赫兹随机引力波背景与通过畴壁动力学实现的一阶QCD相变联系起来。
• 利用引力波现象学约束离散对称性破缺尺度f ≈ 100 TeV和QCD相变温度T_QCD ≈ 100 MeV。

提出的方法

• 采用唯象的三味线性σ模型（LSM q）研究θ与T下的有限温度相图，扩展先前的两味研究。
• 使用CosmoTransitions计算凝聚相（σ, π）的热演化，并识别不同θ值下的相变类型（交叉或一阶）。
• 在两种情形下建模畴壁演化：辐射主导时期（T_dom < T_ann）和畴壁主导时期（T_dom > T_ann）。
• 利用标准引力波发射公式，计算来自三种来源的引力波谱：气泡碰撞（Ω_col）、声波（Ω_sw）和湍流（Ω_turb）。
• 整合畴壁坍缩和QCD相变产生的引力波谱，考虑红移和频率演化至现今。
• 使用ζ因子表示经历一阶相变的宇宙部分比例，并包含壁速度v_w及能量转换比例（κ_col, κ_sw, κ_turb）。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD反常离散对称性是否会导致畴壁通过QCD瞬子效应自然坍缩，其产生的引力波特征是什么？
• RQ2 在有效θ角较大的区域中，特别是当θ ≈ π时，QCD相变是否变为一阶相变，θ–T空间中的相图如何？
• RQ3 观测到的脉冲星计时阵列中的纳赫兹随机引力波背景是否可由畴壁湮灭解释，这对离散对称性破缺尺度意味着什么？
• RQ4 来自畴壁坍缩和QCD相变的引力波频率分布如何，是否可形成多波段引力波光谱？
• RQ5 离散对称性的群论性质（如N > 2的Z_N）如何影响引力波发射的时间和光谱特征？

主要发现

• 通过三味线性σ模型和CosmoTransitions模拟确认，QCD相变在θ = π附近区域为一阶相变，临界θ_c ≈ 0.3π。
• 当θ = 0时，相变为交叉，发生在T ≈ 146 MeV；当θ = π时，相变为一阶，发生在T ≈ 129 MeV，表明相结构发生显著变化。
• 畴壁湮灭产生一个在纳赫兹频段峰值的随机引力波背景，与脉冲星计时阵列观测结果一致（NANOGrav, EPTA, PPTA, CPTA）。
• 假设畴壁解释成立，离散对称性破缺尺度被约束为f ≈ 100 TeV，湮灭温度为T_ann ≈ 100 MeV。
• 该模型预测一个跨越超过十个数量级频率的多波段引力波光谱——从纳赫兹（来自壁坍缩）到约100 Hz（来自QCD相变），源于多个一阶相变。
• QCD相变产生的引力波谱包括气泡碰撞、声波和湍流的贡献，其峰值频率分别为f_col ≈ 1.6×10⁻⁶ Hz，f_sw ≈ 1.8×10⁻⁴ Hz，f_turb ≈ 2×10⁻⁴ Hz，均已红移至现今。