[論文レビュー] Alternative dark matter candidates: Axions

Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 19被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、強いCP問題を解消するPeccei-Quinn対称性の役割と、歪み機構による宇宙初期におけるアキソンの生成を詳細に検討し、冷たい暗黒物質の有力候補としてのアキソンの妥当性を提示する。質量範囲50 µeVから15 meVの間で、初期場の値やトポロジカルな欠陥の寄与に応じてアキソン暗黒物質が成立し得ることを示し、共振変換およびスピン結合技術を用いたこの質量窓を標的とする主要な実験的取り組みを概説する。

ABSTRACT

The axion is arguably one of the best motivated candidates for dark matter. For a decay constant greater than about 10^9 GeV, axions are dominantly produced non-thermally in the early universe and hence are 'cold', their velocity dispersion being small enough to fit to large scale structure. Moreover, such a large decay constant ensures the stability at cosmological time scales and its behaviour as a collisionless fluid at cosmological length scales. Here, we review the state of the art of axion dark matter predictions and of experimental efforts to search for axion dark matter in laboratory experiments.

研究の動機と目的

• アキソンが強いCP問題の解決策として理論的動機付けを有する理由と、冷たい暗黒物質候補としてのその出現をレビューすること。
• 特にインフレーション前後における対称性の破れ状況を想定し、歪み機構による宇宙初期におけるアキソンの非熱的生成を分析すること。
• 観測された暗黒物質密度と整合するアキソン質量範囲を、アキソンストリングやドメインウォールの寄与を含めて同定すること。
• 広い質量スペクトルにわたる実験的探索を網羅する、現在および計画中の実験的取り組みを要約すること。
• モデル依存の結合定数と検出戦略を踏まえた理論的予測と実験感度の相乗的関係を評価すること。

提案手法

• Peccei-Quinn対称性の自発的破れに起因する擬スネイク・ゴールドストーン粒子としてのアキソンを記述するため、Peccei-Quinn拡張標準模型（PQSM）を用いる。
• 温度依存のアキソンポテンシャルと質量を決定するため、格子QCD計算によるトポロジカル感受率χ(T)を適用し、χ(0) = [75.6(1.8)(0.9) MeV]⁴を重要な入力とみなす。
• PQ対称性の破れ後に生じるアキソン場のコherent振動をモデル化し、初期場の値θ₀が暗黒物質の生成量を決定することを評価する。
• 宇宙的ストリングおよびウォールネットワークの格子シミュレーションを用いて、トポロジカル欠陥（アキソンストリングおよびドメインウォール）の寄与を評価する。
• 真空再整列と欠陥の崩壊が宇宙の閉じすぎを引き起こさないという要請に基づき、axion mass range を導出する。ΩA,toth² ≈ 1.6+1.0−0.7 × 10⁻² × (fA / 10¹⁰ GeV)¹.¹⁶⁵ を用いる。
• アキソンと光子、またはスピンとの結合を利用する検出技術をレビューする。具体的には、共振マイクロ波キャビティ実験（例：ADMX, CULTASK）、磁気共鳴（CASPEr）、スピン進化（QUAX）を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された暗黒物質密度を考慮した場合、インフレーション後のPQ対称性の破れ状況におけるアキソン暗黒物質の妥当な質量範囲は何か？
• RQ2 アキソンストリングおよびドメインウォールの寄与が、合計のアキソン暗黒物質密度に与える影響は何か？また、アキソン質量にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 初期の歪み角θ₀は、インフレーション前とインフレーション後の状況において、アキソン暗黒物質密度をどのように決定づけるか？
• RQ4 T ≈ 150 MeV付近の臨界温度領域における格子QCDによるトポロジカル感受率χ(T)の結果は、アキソン質量およびポテンシャルにどのように影響を与えるか？
• RQ5 どの実験が異なる質量範囲においてアキソン暗黒物質に最も感度を示すか？また、それらの実験の背後にある検出メカニズムは何か？

主な発見

• 格子QCDによるトポロジカル感受率χ(0) = [75.6(1.8)(0.9) MeV]⁴の結果に基づき、アキソン質量はmA = 57.0(7) × (10¹¹ GeV / fA) µeV と予測される。
• インフレーション後のPQ対称性の破れ状況では、トポロジカル欠陥による50%の寄与を仮定した場合、暗黒物質に適したアキソン質量範囲は50 µeV から 200 µeV にわたり、下限が成立する。
• N = 1の場合、トポロジカル欠陥からのアキソン暗黒物質割合はΩA,toth² ≈ 1.6+1.0−0.7 × 10⁻² × (fA / 10¹⁰ GeV)¹.¹⁶⁵と予測され、質量範囲は50 µeV ≲ mA ≲ 200 µeV となる。
• PQ対称性がプランクスケール抑制型の項によって明示的に破られる場合、特にN > 1の状況では、アキソン質量範囲は15 meVまで拡張可能となる。
• 50 µeV から 15 meV のアキソン質量範囲は、観測された暗黒物質密度と、星におけるエネルギー損失の過剰な兆候という最近の天体物理学的示唆とも整合する。
• ADMX, CULTASK, MADMAX, ABRACADABRA などの実験は10⁻⁶ eV から 10⁻⁴ eV の範囲で感度を示すが、CASPErは低質量領域、QUAXは高質量領域を別々の結合メカニズムでターゲットとしている。