Gravitational Wave Probe of Planck-scale Physics After Inflation
Abstract: Particle decays are always accompanied by the emission of graviton quanta of gravity through bremsstrahlung processes. However, the corresponding branching ratio is suppressed by the square of the ratio of particle's mass to the Planck scale. The resulting present abundance of gravitational waves (GWs), composed of gravitons, is analogously suppressed. We show that superheavy particles, as heavy as the Planck scale, can be naturally produced during the post-inflationary reheating stage in the early Universe and their decays yield dramatic amounts of GWs over broad frequency range. GW observations could hence directly probe Planck-scale physics, notoriously challenging to explore.
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016a), arXiv:1602.03837 [gr-qc] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 119, 161101 (2017), arXiv:1710.05832 [gr-qc] .
- G. Agazie et al. (NANOGrav), Astrophys. J. Lett. 951, L8 (2023), arXiv:2306.16213 [astro-ph.HE] .
- H. Xu et al., Res. Astron. Astrophys. 23, 075024 (2023), arXiv:2306.16216 [astro-ph.HE] .
- D. J. Reardon et al., Astrophys. J. Lett. 951, L6 (2023), arXiv:2306.16215 [astro-ph.HE] .
- J. Antoniadis et al. (EPTA, InPTA:), Astron. Astrophys. 678, A50 (2023), arXiv:2306.16214 [astro-ph.HE] .
- M. Maggiore, Gravitational Waves. Vol. 2: Astrophysics and Cosmology (Oxford University Press, 2018).
- J. Ghiglieri and M. Laine, JCAP 07, 022 (2015), arXiv:1504.02569 [hep-ph] .
- K. Nakayama and Y. Tang, Phys. Lett. B 788, 341 (2019), arXiv:1810.04975 [hep-ph] .
- D. Huang and L. Yin, Phys. Rev. D 100, 043538 (2019), arXiv:1905.08510 [hep-ph] .
- K. Mudrunka and K. Nakayama,  (2023), arXiv:2312.15766 [astro-ph.CO] .
- A. Tokareva,  (2023), arXiv:2312.16691 [hep-ph] .
- K. D. Lozanov and M. A. Amin, Phys. Rev. D 99, 123504 (2019), arXiv:1902.06736 [astro-ph.CO] .
- K. D. Lozanov and V. Takhistov, Phys. Rev. Lett. 130, 181002 (2023), arXiv:2204.07152 [astro-ph.CO] .
- A. R. Liddle and D. H. Lyth, Cosmological inflation and large scale structure (2000).
- F. L. Bezrukov and M. Shaposhnikov, Phys. Lett. B 659, 703 (2008), arXiv:0710.3755 [hep-th] .
- Y. Akrami et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A10 (2020), arXiv:1807.06211 [astro-ph.CO] .
- R. Kallosh and A. Linde, JCAP 07, 002 (2013), arXiv:1306.5220 [hep-th] .
- E. I. Sfakianakis and J. van de Vis, Phys. Rev. D 99, 083519 (2019), arXiv:1810.01304 [hep-ph] .
- F. Bauer and D. A. Demir, Phys. Lett. B 665, 222 (2008), arXiv:0803.2664 [hep-ph] .
- F. Bauer and D. A. Demir, Phys. Lett. B 698, 425 (2011), arXiv:1012.2900 [hep-ph] .
- J. Rubio and E. S. Tomberg, JCAP 04, 021 (2019), arXiv:1902.10148 [hep-ph] .
- P. Minkowski, Phys. Lett. B 67, 421 (1977).
- T. Yanagida, Conf. Proc. C 7902131, 95 (1979).
- M. Fukugita and T. Yanagida, Phys. Lett. B 174, 45 (1986).
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 131102 (2016b), arXiv:1602.03847 [gr-qc] .
- P. Amaro-Seoane et al. (LISA),  (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
- D. Reitze et al., Bull. Am. Astron. Soc. 51, 035 (2019), arXiv:1907.04833 [astro-ph.IM] .
- M. Punturo et al., Class. Quant. Grav. 27, 194002 (2010).
- S. Y. Khlebnikov and I. I. Tkachev, Phys. Rev. D 56, 653 (1997), arXiv:hep-ph/9701423 .
- R. Easther and E. A. Lim, JCAP 04, 010 (2006), arXiv:astro-ph/0601617 .
- J. Repond and J. Rubio, JCAP 07, 043 (2016), arXiv:1604.08238 [astro-ph.CO] .
- D. G. Figueroa and F. Torrenti, JCAP 10, 057 (2017), arXiv:1707.04533 [astro-ph.CO] .
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.
