Gravitational waves from low-scale cosmic strings (2405.10937v2)
Abstract: Cosmic strings are a common prediction in many grand unified theories and a promising source of stochastic gravitational waves (GWs) from the early Universe. In this paper, we point out that the GW signal from cosmic strings produced at a comparatively low energy scale, $v \lesssim 109 \textrm{GeV}$, exhibits several novel features that are not present in the case of high-scale cosmic strings. Our findings notably include (i) a sharp cutoff frequency $f_{\rm cut}$ in the GW spectrum from the fundamental oscillation mode on closed string loops and (ii) an oscillating pattern in the total GW spectrum from all oscillation modes whose local minima are located at integer multiples of $f_{\rm cut}$. These features reflect the fact that string loops produced in the early Universe fail to shrink to zero size because of GW emission within the age of the Universe, if their tension is low enough. In addition, they offer an exciting opportunity to directly probe the discrete spectrum of oscillation modes on closed string loops in GW observations. For strings produced at a scale $v \sim 109\textrm{GeV}$, the novel features in the GW spectrum are within the sensitivity reach of future experiments such as BBO and DECIGO.
- A. Vilenkin, Phys. Rept. 121, 263 (1985).
- M. B. Hindmarsh and T. W. B. Kibble, Rept. Prog. Phys. 58, 477 (1995), arXiv:hep-ph/9411342 .
- A. Vilenkin and E. P. S. Shellard, Cosmic Strings and Other Topological Defects (Cambridge University Press).
- T. W. B. Kibble, J. Phys. A 9, 1387 (1976).
- T. W. B. Kibble, Phys. Rept. 67, 183 (1980).
- W. H. Zurek, Nature 317, 505 (1985).
- E. B. Bogomolny, Sov. J. Nucl. Phys. 24, 449 (1976).
- A. Vilenkin, Phys. Lett. B 107, 47 (1981).
- T. Vachaspati and A. Vilenkin, Phys. Rev. D 31, 3052 (1985).
- T. Damour and A. Vilenkin, Phys. Rev. D 71, 063510 (2005), arXiv:hep-th/0410222 .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. D 97, 102002 (2018), arXiv:1712.01168 [gr-qc] .
- P. Auclair et al., JCAP 04, 034 (2020a), arXiv:1909.00819 [astro-ph.CO] .
- G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023a), arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] .
- J. Antoniadis et al. (EPTA, InPTA), Astron. Astrophys. 678, A50 (2023a), arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE] .
- D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L6 (2023), arXiv:2306.16215 [astro-ph.HE] .
- H. Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024 (2023), arXiv:2306.16216 [astro-ph.HE] .
- G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 952, L37 (2023b), arXiv:2306.16220 [astro-ph.HE] .
- A. Afzal et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L11 (2023), arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE] .
- J. Antoniadis et al. (EPTA),  (2023b), arXiv:2306.16227 [astro-ph.CO] .
- J. Ellis and M. Lewicki, Phys. Rev. Lett. 126, 041304 (2021), arXiv:2009.06555 [astro-ph.CO] .
- P. Amaro-Seoane et al. (LISA),  (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
- W.-R. Hu and Y.-L. Wu, Natl. Sci. Rev. 4, 685 (2017).
- J. Luo et al. (TianQin), Class. Quant. Grav. 33, 035010 (2016), arXiv:1512.02076 [astro-ph.IM] .
- J. J. Blanco-Pillado and K. D. Olum, Phys. Rev. D 96, 104046 (2017), arXiv:1709.02693 [astro-ph.CO] .
- J. J. Blanco-Pillado and K. D. Olum, Phys. Rev. D 101, 103018 (2020), arXiv:1912.10017 [astro-ph.CO] .
- V. Corbin and N. J. Cornish, Class. Quant. Grav. 23, 2435 (2006), arXiv:gr-qc/0512039 .
- T. Damour and A. Vilenkin, Phys. Rev. D 64, 064008 (2001), arXiv:gr-qc/0104026 .
- C. J. A. P. Martins and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. D 54, 2535 (1996), arXiv:hep-ph/9602271 .
- C. J. A. P. Martins and E. P. S. Shellard, Phys. Rev. D 65, 043514 (2002), arXiv:hep-ph/0003298 .
- L. Sousa and P. P. Avelino, Phys. Rev. D 88, 023516 (2013), arXiv:1304.2445 [astro-ph.CO] .
- K. Schmitz and T. Schröder, (2024a), in preparation.
- S. Mukovnikov and L. Sousa,  (2024), arXiv:2404.13213 [astro-ph.CO] .
- G. Servant and P. Simakachorn,  (2023), arXiv:2312.09281 [hep-ph] .
- A. E. Everett, Phys. Rev. D 24, 858 (1981).
- P. de Sousa Gerbert and R. Jackiw, Commun. Math. Phys. 124, 229 (1989).
- M. G. Alford and F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 62, 1071 (1989).
- J. J. Blanco-Pillado and K. D. Olum, Phys. Rev. D 59, 063508 (1999), [Erratum: Phys.Rev.D 103, 029902 (2021)], arXiv:gr-qc/9810005 .
- K. D. Olum and J. J. Blanco-Pillado, Phys. Rev. D 60, 023503 (1999), arXiv:gr-qc/9812040 .
- C. Ringeval and T. Suyama, JCAP 12, 027 (2017), arXiv:1709.03845 [astro-ph.CO] .
- M. Maggiore, Phys. Rept. 331, 283 (2000), arXiv:gr-qc/9909001 .
- C. Caprini and D. G. Figueroa, Class. Quant. Grav. 35, 163001 (2018), arXiv:1801.04268 [astro-ph.CO] .
- K. Schmitz, JHEP 01, 097 (2021), arXiv:2002.04615 [hep-ph] .
- K. Schmitz and T. Schröder, (2024b), in preparation.
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.