Gravitational waves from collapsing domain walls

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Gravitational waves from collapsing domain walls Ken’ichi Saikawa ICRR, The University of Tokyo Based on [1] T. Hiramatsu, M. Kawasaki and KS, JCAP05(2010)032. [2] M. Kawasaki and KS, in prep. 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Domain wall Example: SSB in the theory of the real scalar field  2-dimensional surface-like defects  produced when a discrete symmetry is spontaneously broken 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Scaling solutions Press, Ryden, and Spergel (1989) One wall per one Hubble radius where is the distance of two neighboring walls and is the curvature radius Energy density Surface mass density of the wall 一つの地平線あたりウォールが約一枚 というのがスケーリング解の定義. それを数値シミュレーションによって確認した. Horizon radius/Box size 1/100 1/30 1/10 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Domain wall problem If stable domain wall exists… Distort CMB anisotropy Ruled out by observations Zel’dovich, Kobzarev, Okun (1975) To avoid the domain wall problem Assume an inflationary era after the formation of walls, or … Consider unstable domain walls Allowed if they decay before BBN epoch Can be the source of the gravitational wave background 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Collapse of domain walls Approximate discrete symmetry (bias) Vilenkin (1981) The energy difference between two vacua affects as a pressure on the wall Relic GW from domain walls Another source of stochastic gravitational wave background Probe for new physics エネルギーの差(bias)は実効的にウォールに働く圧力となる。 真の真空が偽の真空を押しつぶす。 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) The role of the bias Two forces acting on domain walls Tension (straightens the wall) Pressure (collapses the wall) Pressure dominates when Decay time of the wall 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Numerical simulation Solve the classical field equation on 3D lattice Input parameters Scheme 4th Runge-Kutta Number of grid 256×256×256 Era Radiation dominated Initial time such that Final time 151 Time resolution 0.01 Box size 25 or 50 1.0 1017 GeV 0〜0.04 Numerical codes based on “aphrodite” developed by T. Hiramatsu 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Typical evolution of the (stable) DW 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Typical evolution of the (unstable) DW 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Scaling if the bias is 0 The decay time is well described by 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Gravitational Wave Linearized theory Energy density of GW Observable 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Spectrum of Gravitational Wave Large box (low resolution) Small box (high resolution) GW spectrum (b=50) バイアスが大きいほど早く崩壊してamplitudeが小さくなる。 低周波数に立ち上がり、高周波数側にピーク さらに高周波の端に立ち上がり(b=25で非物理的なピーク) GW spectrum (b=25) 高周波数側が下がっている。b=50での立ち上がりは非物理的なものである。 Peak : width of the wall Edge : Hubble expansion rate at decay time Spectrum : nearly flat 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Dependence on the Background Evolution Radiation dominated (RD) background Matter dominated (MD) background The spectrum in MD is indeed flat, similar to the result in RD. 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Extrapolation of the numerical results Peak is too high to observe. We can measure the parameters such as and from the frequency and intensity of the edge. 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Summary We calculated the gravitational wave spectrum by running 3 dim. lattice simulations of domain walls. The edge corresponds to the horizon scale when walls collapse The peak corresponds to the width of the wall Shape of the spectrum is almost flat Extrapolation of the numerical results There is a parameter region in which the edge is observable in the future experiments. Further numerical/analytic investigation is needed in order to give an accurate prediction for GW spectrum. (work in progress) It can be a new observational window to probe particle physics models with (approximate) discrete symmetry. 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Appendix 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Initial condition (1) Correlation function in the finite temperature : Bose-Einstein statics 1 in is the vacuum fluctuation → subtract 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Initial condition (2) In the momentum space, No correlation in the k space → Generate as Gaussian with → Fourier transform to obtain and : volume of the simulation box 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Condition for avoiding wall domination Walls dominate the universe if The time when walls dominate Require that walls decay before they dominate the universe :energy density of the universe :energy density of the walls 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Earlier studies Numerical simulations Press et al. (1989); Kawano (1990); Coulson et al. (1996); Larsson et al. (1997); Garagounis and Hindmarsh (2003); Avelino et al. (2005) … In order to resolve two extremely different scales, put an unphysical assumption about the wall width (PRS algorithm). Gravitational radiation from DW decay Gleiser and Roberts (1998) Only semi-analytic estimations Shape of the spectrum of GWs has been unknown Our goal: To investigate the evolution of DW in more realistic situations and calculate the spectrum of GWs. 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Comments on the Numerical Study Nonlinear evolution equation Difficult to solve analytically Need for numelical simulation Problem in numelical study One must consider two extremely different length scales. Width of the wall Hubble radius We can not simulate the physical evolution for a long time. 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

“Green’s function” method Dufaux et al. (2007) Assume the source exists during The time evolution of is obtained by the numerical simulation.   → calculate   → evaluate by performing the time integral 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Physical interpretation of the spectrum The physics relevant for the generation of gravitational waves Interaction of wall networks (collision, separation, reconnection, collapse …) Typical scale:width of the wall Relativistic motion of the wall Cease to generate after the decay of walls Typical scale:Hubble radius Form of the spectrum Peak corresponds to the width of the wall Edge corresponds to the Horizon scale The numerical values of the amplitude and frequency for peak and edge are consistent with simple dimensional analysis except a factor of O(1).       10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) b=25のAreaのプロット 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) スペクトルの時間変化 Wall形成後、horizonスケールにピーク Wall崩壊によってピークがsmall scaleに移る 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Estimation for peak amplitude Energy of GW from DW decay Energy density t*はGW放出時刻とする。 Redshift factorよりt*^2に比例→epsilon^-2に比例 for 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

Peak amplitude (ε dependence) Fit into 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)

10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo) Fitting formulae Parameter dependence obtained from the dimensional analysis and the numerical results We can use them to predict the gravitational wave spectrum for generic values of parameters. 10/09/27 COSMO/CosPA 2010 (Univ. of Tokyo)