ВВЕДЕНИЕ
Вселенная расширяется и неуклонно остывает. Этот процесс может привести к созданию космических струн : это одномерные топологические дефекты , энергия которых сосредоточена вдоль линии. Космические струны аналогичны трещинам, которые могут появиться во льду при замерзании воды. Во Вселенной космические струны, как правило, искривлены, они эволюционируют и в результате взаимодействия могут образовывать замкнутые петли.
Космические струны существуют во многих теориях поля, основанных на физике элементарных частиц, и относительно них можно сделать несколько наблюдательных предсказаний. Это означает, что космические струны могут предоставить нам инструмент для исследования физики за пределами Стандартной модели , в энергетических масштабах, намного превышающих те, которые достигаются ускорителями, такими как Большой адронный коллайдер в ЦЕРН. В частности, производство сигналов гравитационных волн космическими струнами является одним из наиболее многообещающих наблюдаемых признаков, которые мы можем искать с помощью наземных детекторов, таких как LIGO , Virgo и KAGRA .
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ ОТ КОСМИЧЕСКИХ СТРУННЫХ ПЕТЕЛЬ
Петли космических струн колеблются и излучают энергию, в основном в виде гравитационных волн, что заставляет их сжиматься и в конечном итоге распадаться. В спектре гравитационных волн колеблющейся петли преобладают особенности струны, называемые каспами и перегибами . Первые представляют собой точки на струне, которые кратковременно перемещаются со скоростью света; последние представляют собой разрывы, которые появляются парами в результате обмена партнерами между струнами. Многие из этих всплесков гравитационных волн могут суммироваться, образуя стохастический (т.е. случайно определенный) фон гравитационных волн . Иногда острые высокоамплитудные всплески могут выделяться над стохастическим фоном — подобно крику одинокого голоса, слышимому над звуками шумной толпы, — и, таким образом, в принципе могут быть обнаружены индивидуально.
Мы искали сигналы гравитационных волн, создаваемые каспами, кинками, собранных детекторами Advanced LIGO и Advanced Virgo во время их третьего цикла наблюдений , обозначенного O3. Мы рассмотрели две аналитические модели (названные А и В) распределения петель космических струн на основе результатов двух разных компьютерных симуляций этого распределения. Кроме того, мы разработали третью модель (названную C), которая была разработана как более «независимая» за счет интерполяции между моделями A и B; в нашем поиске мы рассмотрели два варианта (С-1 и С-2) этой модели.
АНАЛИЗ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Мы использовали данные детекторов LIGO и Virgo для анализа в каждой из этих четырех моделей возможности как сигнала всплеска гравитационных волн от отдельной космической струны, так и стохастического фона сигналов космических струн. Чтобы выполнить наш поиск всплесков, сначала были идентифицированы кандидаты, которые соответствовали предсказанной форме гравитационной волны для такого сигнала, а затем были использованы дополнительные методы анализа для расчета вероятности того, что каждое событие-кандидат было сигналом космической струны, а не шумом детектора. Стохастический поиск фона осуществлялся путем вычисления плотности энергии сигналов космических струнных гравитационных волн, предсказанных в каждой из рассмотренных нами моделей; затем эти прогнозы сравнивались с результатами наблюдений детектора, в которых используется отсутствие сигнала, чтобы установить верхние пределы этой плотности энергии.
Хотя мы не обнаружили никаких сигналов космических струн, наш анализ позволил нам ограничить два параметра космических струн, натяжение струны и количество изгибов на петлю, для каждой из моделей распределения петлей, чтобы значения этих параметров были в соответствии с нашим необнаружение. В частности, мы обнаружили, что самые жесткие ограничения на натяжение струны связаны с нашим анализом поиска стохастического фона гравитационных волн.
Мы также сравнили наши результаты с ограничениями, полученными при измерениях временных массивов пульсаров , и косвенными ограничениями, полученными при нуклеосинтезе Большого взрыва и наблюдениях космического микроволнового фона . Следующий запуск наблюдений, O4 , даст нам новую возможность поиска сигналов гравитационных волн от космических струн, поскольку детекторы LIGO и Virgo станут еще более чувствительными, а детектор KAGRA присоединится к глобальной сети.
