Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
131 tokens/sec
GPT-4o
10 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
47 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Gravitational waves and primordial black holes from axion domain walls in level crossing (2401.09138v3)

Published 17 Jan 2024 in hep-ph, astro-ph.CO, astro-ph.HE, and gr-qc

Abstract: In this paper, we investigate the nano-Hertz gravitational waves (GWs) emission and the massive primordial black holes (PBHs) formation from the light QCD axion scenario. We consider the axion domain walls formation from the level crossing induced by the mass mixing between the light $Z_{\mathcal N}$ QCD axion and axion-like particle. A general mixing case is considered that the heavy and light mass eigenvalues do not necessarily have to coincide with the axion masses. In order to form the domain walls, the axions should start to oscillate slightly before the level crossing. The domain walls must annihilate before dominating the Universe to avoid the cosmological catastrophe. Then we focus our attention on the GWs emission from the domain walls annihilation and the PBHs formation from the domain walls collapse. We show the predicted GWs spectra with the peak frequency $\sim 0.2\, \rm nHz$ and the peak amplitude $\sim 5\times 10{-9}$, which can be tested by the future pulsar timing array projects. In addition, during the domain walls annihilation, the closed walls could shrink to the Schwarzschild radius and collapse into the PBHs. We find that the PBHs in the mass range of $\mathcal{O}(105-108) M_\odot$ could potentially form in this scenario and account for a small fraction $\sim 10{-5}$ of the cold dark matter.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (51)
  1. M. Maggiore, Phys. Rept. 331, 283 (2000), arXiv:gr-qc/9909001 .
  2. M. Maggiore, Gravitational Waves. Vol. 1 (Oxford University Press, 2007).
  3. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016a), arXiv:1602.03837 [gr-qc] .
  4. B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 241103 (2016b), arXiv:1606.04855 [gr-qc] .
  5. G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023a), arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] .
  6. G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 952, L37 (2023b), arXiv:2306.16220 [astro-ph.HE] .
  7. A. Afzal et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L11 (2023), arXiv:2306.16219 [astro-ph.HE] .
  8. J. Antoniadis et al. (EPTA), Astron. Astrophys. 678, A48 (2023a), arXiv:2306.16224 [astro-ph.HE] .
  9. J. Antoniadis et al. (EPTA, InPTA), Astron. Astrophys. 678, A49 (2023b), arXiv:2306.16225 [astro-ph.HE] .
  10. J. Antoniadis et al. (EPTA, InPTA:), Astron. Astrophys. 678, A50 (2023c), arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE] .
  11. D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L6 (2023a), arXiv:2306.16215 [astro-ph.HE] .
  12. D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L7 (2023b), arXiv:2306.16229 [astro-ph.HE] .
  13. H. Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024 (2023), arXiv:2306.16216 [astro-ph.HE] .
  14. L. P. Grishchuk, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 67, 825 (1974).
  15. A. A. Starobinsky, JETP Lett. 30, 682 (1979).
  16. E. Witten, Phys. Rev. D 30, 272 (1984a).
  17. A. Vilenkin, Phys. Lett. B 107, 47 (1981a).
  18. F. S. Accetta and L. M. Krauss, Nucl. Phys. B 319, 747 (1989).
  19. R. R. Caldwell and B. Allen, Phys. Rev. D 45, 3447 (1992).
  20. A. Vilenkin, Phys. Rev. D 23, 852 (1981b).
  21. M. Gleiser and R. Roberts, Phys. Rev. Lett. 81, 5497 (1998), arXiv:astro-ph/9807260 .
  22. S. Y. Khlebnikov and I. I. Tkachev, Phys. Rev. D 56, 653 (1997), arXiv:hep-ph/9701423 .
  23. R. Easther and E. A. Lim, JCAP 04, 010 (2006), arXiv:astro-ph/0601617 .
  24. K. Saikawa, Universe 3, 40 (2017), arXiv:1703.02576 [hep-ph] .
  25. T. W. B. Kibble, J. Phys. A 9, 1387 (1976).
  26. G. Lazarides and Q. Shafi, Phys. Lett. B 115, 21 (1982).
  27. A. Caputo and M. Reig, Phys. Rev. D 100, 063530 (2019), arXiv:1905.13116 [hep-ph] .
  28. C.-W. Chiang and B.-Q. Lu, JCAP 05, 049 (2021), arXiv:2012.14071 [hep-ph] .
  29. B.-Q. Lu and C.-W. Chiang,   (2023), arXiv:2307.00746 [hep-ph] .
  30. M. Kawasaki and K. Saikawa, JCAP 09, 008 (2011), arXiv:1102.5628 [astro-ph.CO] .
  31. R. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. D 16, 1791 (1977a).
  32. R. Peccei and H. R. Quinn, Phys. Rev. Lett. 38, 1440 (1977b).
  33. S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 40, 223 (1978).
  34. F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 40, 279 (1978).
  35. J. E. Kim, Phys. Rev. Lett. 43, 103 (1979).
  36. A. R. Zhitnitsky, Sov. J. Nucl. Phys. 31, 260 (1980).
  37. L. Abbott and P. Sikivie, Phys. Lett. B 120, 133 (1983).
  38. M. Dine and W. Fischler, Phys. Lett. B 120, 137 (1983).
  39. A. Hook, Phys. Rev. Lett. 120, 261802 (2018), arXiv:1802.10093 [hep-ph] .
  40. M. B. Green and J. H. Schwarz, Phys. Lett. B 149, 117 (1984).
  41. E. Witten, Phys. Lett. B 149, 351 (1984b).
  42. D. Cadamuro and J. Redondo, JCAP 02, 032 (2012), arXiv:1110.2895 [hep-ph] .
  43. C. T. Hill and G. G. Ross, Nucl. Phys. B 311, 253 (1988).
  44. N. Kitajima and F. Takahashi, JCAP 01, 032 (2015), arXiv:1411.2011 [hep-ph] .
  45. D. Cyncynates and J. O. Thompson, Phys. Rev. D 108, L091703 (2023), arXiv:2306.04678 [hep-ph] .
  46. H.-J. Li,   (2023), arXiv:2307.09245 [hep-ph] .
  47. M. Hindmarsh, Phys. Rev. Lett. 77, 4495 (1996), arXiv:hep-ph/9605332 .
  48. T. Garagounis and M. Hindmarsh, Phys. Rev. D 68, 103506 (2003), arXiv:hep-ph/0212359 .
  49. C. L. Carilli and S. Rawlings, New Astron. Rev. 48, 979 (2004), arXiv:astro-ph/0409274 .
  50. J. Luo et al. (TianQin), Class. Quant. Grav. 33, 035010 (2016), arXiv:1512.02076 [astro-ph.IM] .
  51. P. Amaro-Seoane et al. (LISA),   (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
Citations (3)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now