[論文レビュー] An argument that the dark matter is axions

P. Sikivie|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、重力的自己相互作用によって、axion が再熱化するボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を形成し、銀河ハローに全体的な回転を生じさせることを主張している。銀河ハローにおけるカウスティック輪の観測的証拠は、BECモデルの予測と一致するが、WIMPs や不活性ニュートリノといった標準的冷たい暗黒物質（CDM）候補とは矛盾する。これらは非回転流とテント型のカウスティックを予測する。

ABSTRACT

An argument is presented that the dark matter is axions, at least in part. It has three steps. First, axions behave differently from the other forms of cold dark matter because they form a rethermalizing Bose-Einstein condensate (BEC). Second, there is a tool to distinguish axion BEC from the other dark matter candidates on the basis of observation, namely the study of the inner caustics of galactic halos. Third, the observational evidence for caustic rings of dark matter is consistent in every aspect with axion BEC, but not with the other proposed forms of dark matter.

研究の動機と目的

• 観測的および理論的整合性に基づき、axion が暗黒物質の主要成分であると主張すること。
• axion BEC が重力的自己相互作用によって形成され、ハッブル定数よりも速く再熱化することを示すこと。
• axion BEC が全体的な回転流によって観測可能なカウスティック輪を生成することを示し、標準的CDMとは対照的であること。
• 銀河における観測されたカウスティック輪構造が、axion BEC の予測と整合しているかどうかをテストすること。
• 銀河ハローの位相空間構造を用いて、axion様粒子と他のCDM候補（WIMPs や不活性ニュートリノなど）を区別すること。

提案手法

• 短い時間スケールにおいて、古典的場方程式に従う縮退したボーズガスとしてaxion暗黒物質をモデル化すること。
• WKB近似を用いて、大きな角運動量量子数（約 10^20）を持つaxion波動関数を古典的粒子の流れに写像すること。
• 潮汐トルク理論を適用し、再振とう球面上での時間に依存する角運動量分布を計算し、時間的に不変の回転軸を示すこと。
• 再熱化を仮定した下で、特定の角運動量 ℓ(t) ∝ t^(5/3) および半径 R(t) ∝ t^(2/3 + 2/(9ε)) の時間発展を導出すること。
• axion BEC の予測される位相空間構造と、銀河ハローにおける観測されたカウスティック輪の形状を比較すること。
• 重力的相互作用下での回転モードの安定性を評価し、ベクトル（回転）モードが重力によって角運動量を交換することを示し、非回転的CDMとは対照的であること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河ハローにおけるカウスティック輪の形成は、axion暗黒物質の証拠を提供するか？
• RQ2 axion BEC は、銀河ポテンシャル井戸に落ち込む前に、十分に速く再熱化して全体的な回転を達成できるか？
• RQ3 カウスティック輪における角運動量の時間依存性は、潮汐トルク理論およびaxion BECの力学と整合しているか？
• RQ4 axion BEC の位相空間構造は、WIMPs や不活性ニュートリノといった標準的CDM候補とどのように異なるか？
• RQ5 観測可能なカウスティック輪を生成するためには、暗黒物質が同一の保存ボソン粒子であり、速やかに熱化する必要がある程度はどの程度か？

主な発見

• axion は重力的自己相互作用により再熱化するボーズ・アインシュタイン凝縮を形成し、熱化率 Γ = 1/τ がハッブル定数を超える。
• axion BEC は全角運動量に一致する最低エネルギー状態に進化し、剛体的回転と全体的な渦度（∇×v ≠ 0）を生じる。
• 観測されたカウスティック輪（銀河ハローに存在）は、axion BEC が予測する楕円型のウミリック（D_{-4}）特異構造と一致するが、非回転的CDMのテント型構造とは一致しない。
• 再振とう球面上の角運動量の時間発展は ℓ(t) ∝ t^(5/3) に従い、潮汐トルク理論および観測されたカウスティック輪モデルと整合する。
• カウスティック輪における j_max と λ の観測された整合性は、axion BEC モデルによって正確に再現され、標準的CDMでは偶然的一致を排除できる。
• このモデルはaxion質量の広い範囲で安定しており、粒子がQCD axionでなくても成立するが、質量が約 10^{-5} eV のQCD axionはすべての必要条件を満たす。