Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Enhanced primordial gravitational waves from a stiff post-inflationary era due to an oscillating inflaton

Published 2 May 2024 in hep-ph, astro-ph.CO, gr-qc, and hep-th | (2405.01679v3)

Abstract: We investigate two classes of inflationary models, which lead to a stiff period after inflation that boosts the signal of primordial gravitational waves (GWs). In both families of models studied, we consider an oscillating scalar condensate, which when far away from the minimum it is overdamped by a warped kinetic term, a la $\alpha$-attractors. This leads to successful inflation. The oscillating condensate is in danger of becoming fragmented by resonant effects when non-linearities take over. Consequently, the stiff phase cannot be prolonged enough to enhance primordial GWs at frequencies observable in the near future for low orders of the envisaged scalar potential. However, this is not the case for a higher-order scalar potential. Indeed, we show that this case results in a boosted GW spectrum that overlaps with future observations without generating too much GW radiation to de-stabilise Big Bang Nucleosynthesis. For example, taking $\alpha={\cal O}(1)$, we find that the GW signal can be safely enhanced up to $\Omega_{\rm GW}(f)\sim 10{-11}$ at frequency $f\sim 102\,$Hz, which will be observable by the Einstein Telescope (ET). Our mechanism ends up with a characteristic GW spectrum, which if observed, can lead to the determination of the inflation energy scale, the reheating temperature and the shape (steepness) of the scalar potential around the minimum.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (106)
  1. K. Sato, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 195, 467 (1981).
  2. A. H. Guth, Phys. Rev. D 23, 347 (1981).
  3. A. D. Linde, Phys. Lett. B 108, 389 (1982).
  4. A. A. Starobinsky, Phys. Lett. B 117, 175 (1982).
  5. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
  6. L. Heurtier and F. Huang, Phys. Rev. D 100, 043507 (2019), arXiv:1905.05191 [hep-ph] .
  7. P. J. E. Peebles and A. Vilenkin, Phys. Rev. D 59, 063505 (1999), arXiv:astro-ph/9810509 .
  8. K. Dimopoulos and J. W. F. Valle, Astropart. Phys. 18, 287 (2002), arXiv:astro-ph/0111417 .
  9. D. Bettoni and J. Rubio, Galaxies 10, 22 (2022), arXiv:2112.11948 [astro-ph.CO] .
  10. L. H. Ford, Phys. Rev. D 35, 2955 (1987).
  11. B. Feng and M.-z. Li, Phys. Lett. B 564, 169 (2003), arXiv:hep-ph/0212213 .
  12. J. C. Bueno Sanchez and K. Dimopoulos, JCAP 11, 007 (2007), arXiv:0707.3967 [hep-ph] .
  13. K. Dimopoulos and T. Markkanen, JCAP 06, 021 (2018), arXiv:1803.07399 [gr-qc] .
  14. I. Dalianis and G. P. Kodaxis, Galaxies 10, 31 (2022), arXiv:2112.15576 [astro-ph.CO] .
  15. K. Dimopoulos and L. Donaldson-Wood, Phys. Lett. B 796, 26 (2019), arXiv:1906.09648 [gr-qc] .
  16. J. a. G. Rosa and L. B. Ventura, Phys. Lett. B 798, 134984 (2019), arXiv:1906.11835 [hep-ph] .
  17. M. Joyce and T. Prokopec, Phys. Rev. D 57, 6022 (1998), arXiv:hep-ph/9709320 .
  18. M. Giovannini, Phys. Rev. D 60, 123511 (1999), arXiv:astro-ph/9903004 .
  19. K. Dimopoulos, Phys. Rev. D 68, 123506 (2003), arXiv:astro-ph/0212264 .
  20. M. Berbig and A. Ghoshal, JHEP 05, 172 (2023), arXiv:2301.05672 [hep-ph] .
  21. D. G. Figueroa and E. H. Tanin, JCAP 08, 011 (2019), arXiv:1905.11960 [astro-ph.CO] .
  22. K. Dimopoulos, JCAP 10, 027 (2022), arXiv:2206.02264 [hep-ph] .
  23. D. H. Lyth and E. D. Stewart, Phys. Rev. D 53, 1784 (1996), arXiv:hep-ph/9510204 .
  24. R. Kallosh and A. Linde, Phys. Rev. D 106, 023522 (2022), arXiv:2204.02425 [hep-th] .
  25. A. Alho and C. Uggla, Phys. Rev. D 95, 083517 (2017), arXiv:1702.00306 [gr-qc] .
  26. M. Tristram et al., Phys. Rev. D 105, 083524 (2022), arXiv:2112.07961 [astro-ph.CO] .
  27. A. A. Starobinsky, Phys. Lett. B 91, 99 (1980).
  28. F. L. Bezrukov and M. Shaposhnikov, Phys. Lett. B 659, 703 (2008), arXiv:0710.3755 [hep-th] .
  29. A. S. Goncharov and A. D. Linde, Sov. Phys. JETP 59, 930 (1984).
  30. A. Linde, JCAP 02, 030 (2015), arXiv:1412.7111 [hep-th] .
  31. S. Ferrara and R. Kallosh, Phys. Rev. D 94, 126015 (2016), arXiv:1610.04163 [hep-th] .
  32. M. S. Turner, Phys. Rev. D 28, 1243 (1983).
  33. M. Drewes, JCAP 09, 069 (2022), arXiv:1903.09599 [astro-ph.CO] .
  34. E. Allys et al. (LiteBIRD), PTEP 2023, 042F01 (2023), arXiv:2202.02773 [astro-ph.IM] .
  35. K. N. Abazajian et al. (CMB-S4),   (2016), arXiv:1610.02743 [astro-ph.CO] .
  36. K. D. Lozanov and M. A. Amin, Phys. Rev. Lett. 119, 061301 (2017), arXiv:1608.01213 [astro-ph.CO] .
  37. K. D. Lozanov and M. A. Amin, Phys. Rev. D 97, 023533 (2018), arXiv:1710.06851 [astro-ph.CO] .
  38. N. Aggarwal et al., Living Rev. Rel. 24, 4 (2021), arXiv:2011.12414 [gr-qc] .
  39. R. Ballantini et al.,   (2005), arXiv:gr-qc/0502054 .
  40. A. Arvanitaki and A. A. Geraci, Phys. Rev. Lett. 110, 071105 (2013), arXiv:1207.5320 [gr-qc] .
  41. G. Winstone et al. (LSD), Phys. Rev. Lett. 129, 053604 (2022), arXiv:2204.10843 [physics.optics] .
  42. A. Berlin et al.,   (2022b), arXiv:2203.12714 [hep-ph] .
  43. M. Goryachev and M. E. Tobar, Phys. Rev. D 90, 102005 (2014), [Erratum: Phys.Rev.D 108, 129901 (2023)], arXiv:1410.2334 [gr-qc] .
  44. F. Sorge, Annalen Phys. 535, 2300228 (2023).
  45. A. Ito and J. Soda, Eur. Phys. J. C 80, 545 (2020), arXiv:2004.04646 [gr-qc] .
  46. A. Ito and J. Soda, Eur. Phys. J. C 83, 766 (2023), arXiv:2212.04094 [gr-qc] .
  47. A. Ito and R. Kitano,   (2023), arXiv:2309.02992 [gr-qc] .
  48. J. Ghiglieri and M. Laine, JCAP 07, 022 (2015), arXiv:1504.02569 [hep-ph] .
  49. W. Zhao, Phys. Rev. D 83, 104021 (2011), arXiv:1103.3927 [astro-ph.CO] .
  50. L. Lentati et al. (EPTA), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 453, 2576 (2015), arXiv:1504.03692 [astro-ph.CO] .
  51. P. D. Lasky et al., Phys. Rev. X 6, 011035 (2016), arXiv:1511.05994 [astro-ph.CO] .
  52. Z. Arzoumanian et al. (NANOGrav), Astrophys. J. 821, 13 (2016), arXiv:1508.03024 [astro-ph.GA] .
  53. F. D’Eramo and K. Schmitz, Phys. Rev. Research. 1, 013010 (2019), arXiv:1904.07870 [hep-ph] .
  54. N. Bernal and F. Hajkarim, Phys. Rev. D 100, 063502 (2019), arXiv:1905.10410 [astro-ph.CO] .
  55. G. Calcagni and S. Tsujikawa, Phys. Rev. D 70, 103514 (2004), arXiv:astro-ph/0407543 .
  56. J. L. Cook and L. Sorbo, Phys. Rev. D 85, 023534 (2012), [Erratum: Phys.Rev.D 86, 069901 (2012)], arXiv:1109.0022 [astro-ph.CO] .
  57. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016a), arXiv:1602.03837 [gr-qc] .
  58. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 241103 (2016b), arXiv:1606.04855 [gr-qc] .
  59. B. . P. . Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Astrophys. J. Lett. 851, L35 (2017b), arXiv:1711.05578 [astro-ph.HE] .
  60. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 141101 (2017c), arXiv:1709.09660 [gr-qc] .
  61. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017d), arXiv:1710.05832 [gr-qc] .
  62. J. Aasi et al. (LIGO Scientific), Class. Quant. Grav. 32, 074001 (2015), arXiv:1411.4547 [gr-qc] .
  63. F. Acernese et al. (VIRGO), Class. Quant. Grav. 32, 024001 (2015), arXiv:1408.3978 [gr-qc] .
  64. R. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), SoftwareX 13, 100658 (2021), arXiv:1912.11716 [gr-qc] .
  65. L. Badurina et al., JCAP 05, 011 (2020), arXiv:1911.11755 [astro-ph.CO] .
  66. M. Punturo et al., Class. Quant. Grav. 27, 194002 (2010).
  67. S. Hild et al., Class. Quant. Grav. 28, 094013 (2011), arXiv:1012.0908 [gr-qc] .
  68. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific), Class. Quant. Grav. 34, 044001 (2017e), arXiv:1607.08697 [astro-ph.IM] .
  69. D. Reitze et al., Bull. Am. Astron. Soc. 51, 035 (2019), arXiv:1907.04833 [astro-ph.IM] .
  70. P. Amaro-Seoane et al. (LISA),   (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
  71. J. Baker et al.,   (2019), arXiv:1907.06482 [astro-ph.IM] .
  72. J. Crowder and N. J. Cornish, Phys. Rev. D 72, 083005 (2005), arXiv:gr-qc/0506015 .
  73. V. Corbin and N. J. Cornish, Class. Quant. Grav. 23, 2435 (2006), arXiv:gr-qc/0512039 .
  74. K. Yagi and N. Seto, Phys. Rev. D 83, 044011 (2011), [Erratum: Phys.Rev.D 95, 109901 (2017)], arXiv:1101.3940 [astro-ph.CO] .
  75. S. Kawamura et al., PTEP 2021, 05A105 (2021), arXiv:2006.13545 [gr-qc] .
  76. Y. A. El-Neaj et al. (AEDGE), EPJ Quant. Technol. 7, 6 (2020), arXiv:1908.00802 [gr-qc] .
  77. A. Sesana et al., Exper. Astron. 51, 1333 (2021), arXiv:1908.11391 [astro-ph.IM] .
  78. Y. Akrami et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A10 (2020), arXiv:1807.06211 [astro-ph.CO] .
  79. P. A. R. Ade et al. (BICEP2, Keck Array), Phys. Rev. Lett. 121, 221301 (2018), arXiv:1810.05216 [astro-ph.CO] .
  80. M. Hazumi et al., J. Low Temp. Phys. 194, 443 (2019).
  81. C. L. Carilli and S. Rawlings, New Astron. Rev. 48, 979 (2004), arXiv:astro-ph/0409274 .
  82. G. Janssen et al., PoS AASKA14, 037 (2015), arXiv:1501.00127 [astro-ph.IM] .
  83. A. Weltman et al., Publ. Astron. Soc. Austral. 37, e002 (2020), arXiv:1810.02680 [astro-ph.CO] .
  84. S. Babak et al. (EPTA), Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 455, 1665 (2016), arXiv:1509.02165 [astro-ph.CO] .
  85. M. A. McLaughlin, Class. Quant. Grav. 30, 224008 (2013), arXiv:1310.0758 [astro-ph.IM] .
  86. Z. Arzoumanian et al. (NANOGRAV), Astrophys. J. 859, 47 (2018), arXiv:1801.02617 [astro-ph.HE] .
  87. K. Aggarwal et al., Astrophys. J. 880, 2 (2019), arXiv:1812.11585 [astro-ph.GA] .
  88. A. Brazier et al.,   (2019), arXiv:1908.05356 [astro-ph.IM] .
  89. Z. Arzoumanian et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 905, L34 (2020), arXiv:2009.04496 [astro-ph.HE] .
  90. A. Afzal et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L11 (2023), arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE] .
  91. G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023), arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] .
  92. A. Ringwald and C. Tamarit, Phys. Rev. D 106, 063027 (2022), arXiv:2203.00621 [hep-ph] .
  93. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. D 93, 122003 (2016c), arXiv:1602.03839 [gr-qc] .
  94. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 241103 (2016d), arXiv:1606.04855 [gr-qc] .
  95. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017f), arXiv:1710.05832 [gr-qc] .
  96. C. Cutler and J. Harms, Phys. Rev. D 73, 042001 (2006), arXiv:gr-qc/0511092 .
  97. A. J. Farmer and E. S. Phinney, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 346, 1197 (2003), arXiv:astro-ph/0304393 .
  98. P. A. Rosado, Phys. Rev. D 84, 084004 (2011), arXiv:1106.5795 [gr-qc] .
  99. D. I. Kosenko and K. A. Postnov, Astron. Astrophys. 336, 786 (1998), arXiv:astro-ph/9801032 .
  100. M. R. Adams and N. J. Cornish, Phys. Rev. D 82, 022002 (2010), arXiv:1002.1291 [gr-qc] .
  101. M. R. Adams and N. J. Cornish, Phys. Rev. D 89, 022001 (2014), arXiv:1307.4116 [gr-qc] .
  102. A. Ghoshal and P. Saha, Phys. Rev. D 109, 023526 (2024), arXiv:2203.14424 [hep-ph] .
  103. A. Ghoshal and A. Salvio, JHEP 12, 049 (2020), arXiv:2007.00005 [hep-ph] .
  104. A. Ghoshal and A. Strumia,   (2023), arXiv:2311.16236 [hep-ph] .
  105. A. Afzal and A. Ghoshal,   (2024), arXiv:2402.06613 [astro-ph.CO] .
  106. K. Dimopoulos, Phys. Lett. B 735, 75 (2014), arXiv:1403.4071 [hep-ph] .
Citations (4)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 4 tweets with 5 likes about this paper.

Sign Up for Free