Probing dark radiation with inflationary gravitational waves
Kazunori Nakayama (The University of Tokyo)
JGRG22 @ University of Tokyo (2012/11/12)
R.Jinno, T.Moroi, KN, arXiv:1208.0184
12年11月11日日曜日
Probing dark radiation with inflationary gravitational waves - - PowerPoint PPT Presentation
Probing dark radiation with inflationary gravitational waves Kazunori Nakayama (The University of Tokyo) R.Jinno, T.Moroi, KN, arXiv:1208.0184 JGRG22 @ University of Tokyo (2012/11/12) 12 11 11 Contents Observational
Kazunori Nakayama (The University of Tokyo)
R.Jinno, T.Moroi, KN, arXiv:1208.0184
12年11月11日日曜日
12年11月11日日曜日
Neff = 3.68+0.80
−0.70 (2σ)
Izotov, Thuan , 1001.4440
Neff = 4.56±0.75 (68%)
Neff = 3.86±0.42 (68%) Neff = 4.08+0.71
−0.68 (95%)
Archidiacono, Calabrese, Melchiorri, 1109.2767
ρrad =
7 8 4 11 4/3 ργ
Neff = 3.04 in the standard model
Dunkley et al., 1009.0866 Keiser et al., 1105.3182
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Ichikawa, Kawasaki, KN, Senami, Takahashi (2007), KN, Takahashi, Yanagida (2010), Fischler, Meyers (2011), Kawasaki, Kitajima, KN (2011), Hasenkamp (2011) Menestrina, Scherrer (2011), Jeong, Takahashi (2012), K.Choi et al (2012) and many others
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hij = 1 MP
(2π)3/2 hλ
k(t)eikxeλ ij
hλ
khλ k = H2 inf
2k3 δ3(k k)δλλ
Quantization
∆2
h(k) =
Hinf 2πMP 2
ds2 = a2(t)[−dτ 2 + (δij + hij)dxidxj]
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¨ hλ + 3H ˙ hλ + (k/a)2hλ = 0
hλ const for k aH hλ a(t)−1 for k aH
ρGW(k) ∼ M 2
P ∆2 h(k)(k/a)2 ∼ M 2 P Hin(k)2∆2 h(k)
ρtot ∼ M 2
P Hin(k)2
ΩGW(k) = ρGW(k) ρtot ∼ ∆2
h(k) ∼ const at horizon entry
Ω0
GW(k) Ω0 rad∆2 h(k) at present for k keq
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horizon entry at R.D. era horizon entry at M.D. era
horizon entry at M.D. era (inflaton oscillation)
GW spectrum traces thermal history of the Universe !
KN, J.Yokoyama (2010) N.Seto, J.Yokoyama (2003), Boyle, Steinhardt (2005), KN, Saito, Suwa, Yokoyama (2008)
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¨ hij + 3H ˙ hij + (k/a)2hij = 16πGΠij
S.Weinberg (2003), Y.Watanabe, E.Komatsu (2005)
cf ) For standard neutinos, see
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˙ ρφ + 3Hρφ = −Γφρφ, ˙ ρrad + 4Hρrad = Γφ(1 − BX)ρφ, ˙ ρX + 4HρX = ΓφBXρφ,
φ : saxion X : axion φ nearly dominate at
t tdec ρrad ρ ρφ ρX BX = 1
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˙ ρφ + 3Hρφ = −Γφρφ, ˙ ρrad + 4Hρrad = Γφ(1 − BX)ρφ, ˙ ρX + 4HρX = ΓφBXρφ,
φ : saxion X : axion φ nearly dominate at
t tdec ρrad ρ
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˙ ρφ + 3Hρφ = −Γφρφ, ˙ ρrad + 4Hρrad = Γφ(1 − BX)ρφ, ˙ ρX + 4HρX = ΓφBXρφ,
φ : saxion X : axion φ nearly dominate at
t tdec ρrad ρ BX 1 ρφ ρrad ρX
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0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.62 0.64 0.66 10-3 10-2 10-1 100 101 102 tH t/tdec BX=0.26 BX=0.5 BX=0.7 BX=1.0
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
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0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 1
Tφ ∼ 107 GeV
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0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 10-2 10-1 100 101 102 103 ΩGW/ΩGW
(SM)
k/kdec w/o anisotropic stress w/ anisotropic stress
BX = 0.26 BX = 0.5 BX = 0.7 BX = 1
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∆2
h(k) ≡
8 M 2
P
Hinf 2π 2 k k0 nt ,
Ω(SM)
GW (k) = γ(SM)Ω(SM) rad
× ΩGW(k = aH),
γ(SM) =
g(SM)
∗0
g(SM)
∗s0
g∗s(Tin(k)) 4/3 ,
ΩGW(k = aH) = ∆2
h(k)
24
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(k keq)
ΩGW(k) = γΩrad × ΩGW(k = aH),
γ = 1 + 7
43
10.75
1/3 ∆Neff 1/γ(SM) + 7
43
10.75
1/3 ∆Neff , e Ωrad = Ω(SM)
rad
× (g∗0/g(SM)
∗0
)
g∗0 = 2
7 8 4 11 4/3
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ΩGW(k) Ω(SM)
GW (k)
= C1 × C2, C1 ≡ γ γ(SM) g∗0 g(SM)
∗0
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 0.5 1 1.5 2 2.5 3 C ΔNeff C1xC2 C1 C2
C2
analytically derived in
Dicus, Repko (2004)
C1xC2 accidentally close to unity
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F : distribution function of X
dpi dt = 1 2gjk,i pjpk p0 .
cf) Geodesic eq. GW effect here
dF dt = BX 4π(p0)3 Γφρφδ
2
∂(δF1 + δF2) ∂t + ¯ pi ¯ p0 ∂(δF1 + δF2) ∂xi
+1 2(δgjk),i ¯ pj ¯ pk ¯ p0 ∂ ¯ F ∂pi = a ∂2 ¯ F ∂p∂tδp0.
δF1(t, xi, pi) ≡ ¯ F(t, (gijpipj)1/2/a) − ¯ F(t, p), δF2(t, xi, pi) ≡ F − ¯ F − δF1.
= ∂F ∂t + pi p0 ∂F ∂xi + 1 2gij,k pipj p0 ∂F ∂pk ,
dF dt ∂δF2 ∂t + ˆ pi a ∂δF2 ∂xi = 1 2 ∂hij ∂t ∂ ¯ F ∂p pˆ piˆ pj.
Contributes to anisotropic stress
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¨ h(λ) + 3H ˙ h(λ) + k2 a2 h(λ) = − 24H2 1 a4(t)ρtot(t) ×
t a4(t′)ρX(t′)K
t
t′
dt′′ a(t′′)
h(λ)(t′, k)dt′, (13
ij
= 1 a3
¯ p0 + ¯ Fpipjδ 1 p0
= 1 a2
piˆ pj + 1 3a2hijρX.
δF2 = τ dτ ′ 1 2 ∂hij ∂τ (τ ′)∂ ¯ F ∂p (τ ′)pˆ piˆ pje−ikµ(τ−τ ′),
12年11月11日日曜日