[論文レビュー] Axion dark matter from first-order phase transition, and very high energy photons from GRB 221009A

Shota Nakagawa, Fuminobu Takahashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙における一次相転移（FOPT）によって生成されたアクシオン様粒子（ALP）が、実験的検出が可能な高密度のダークマター（DM）を説明できると提唱している。FOPTは、大振幅のALP振動およびオシロコン形成を引き起こし、これによりGRB 221009Aで観測された高エネルギー光子がアクシオン-光子変換によって説明可能となる。同時に、NANOGravのヒントと整合する重力波の生成も可能である。

ABSTRACT

We study an axion-like particle (ALP) that experiences the first-order phase transition with respect to its mass or potential minimum. This can be realized if the ALP obtains a potential from non-perturbative effects of SU($N$) gauge theory that is confined via the first-order phase transition, or if the ALP is trapped in a false vacuum at high temperatures until it starts to oscillate about the true minimum. The resulting ALP abundance is significantly enhanced compared to the standard misalignment mechanism, explaining dark matter in a broader parameter space that is accessible to experiments e.g. IAXO, ALPS-II, and DM-radio. Furthermore, the viable parameter space includes a region of the mass $m_a \simeq 10^{-7} - 10^{-8}$ eV and the ALP-photon coupling $g_{a γγ} \simeq 10^{-11} { m GeV}^{-1}$ that can explain the recent observation of very high energy photons from GRB221009A via axion-photon oscillations. The parameter region suggests that the FOPT can generate the gravitational wave that explains the NANOGrav hint. If the ALP in this region explains dark matter, then the ALP has likely experienced a first-order phase transition.

研究の動機と目的

• 銀河間背景光吸収による予想を上回るGRB 221009Aの観測高エネルギー光子を説明すること。
• 標準のミスアライメントメカニズムを超える、実現可能なアクシオン様粒子（ALP）ダークマター生成メカニズムを特定すること。
• 一次相転移（FOPT）によるALP生成と、重力波やオシロコン形成といった宇宙論的信号との関連を確立すること。
• 質量 ~10⁻⁷–10⁻⁸ eV、結合定数 gₐᵧᵧ ~10⁻¹¹ GeV⁻¹ のALPパラメータ空間を同定し、同時にDMとGRB 221009Aの観測を説明可能にすること。
• IAXO、ALPS-II、DM-radioといった将来の実験を通じて、予測されるALPパラメータ空間を検証すること。

提案手法

• 隠れたSU(N)ゲージ理論の非摂動的効果によって生じるALPポテンシャルをモデル化する。
• 高温下で真の真空へのポテンシャル障壁が消失するまでの間、ALPが仮の真空中に閉じ込められ、その後急激に真の真空の周りで振動を開始することを扱う。
• 線形摂動理論を用いて、ALP場の揺らぎの成長率 μ(k) を計算し、ハッブル膨張よりも短い時間スケールのため指数的増大が生じることを示す。
• FOPTメカニズムからのALP豊度を導出し、質量ジャンプ後の大きな初期振幅のおかげで、標準のミスアライメントと比較して顕著に増加することを示す。
• オシロコン形成をFOPTシナリオの重要な特徴として扱い、準安定で高密度の場配置をもたらす。
• FOPT中のバブル衝突とオシロコン形成の両方から生じる重力波（GW）スペクトルを分析し、NANOGravと将来のGW実験の観点から検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークセクターにおける一次相転移が、観測されたダークマター密度を説明するのに十分なALP生成をもたらすか？
• RQ2 GRB 221009Aの高エネルギー光子から推定されるALP-光子結合定数と質量パラメータが、FOPTによるALPダークマター生成と整合するか？
• RQ3 FOPTメカニズムはオシロコンを生成するか？ そして、DM-radio や IAXO といった将来の実験でその形成をプローブできるか？
• RQ4 FOPTからの重力波信号がNANOGrav 15年分のヒントを説明できるか？ その周波数と振幅はこのシナリオでどのようになるか？
• RQ5 FOPTからのALP豊度は、標準のミスアライメントメカニズムと観測されたDM密度に対して、定量的にどのように比較されるか？

主な発見

• FOPTメカニズムによるALP豊度は、標準のミスアライメントメカニズムと比較して顕著に増加しており、実験的にアクセス可能な広いパラメータ空間でダークマター説明が可能である。
• ALPダークマターの実現可能なパラメータ領域は mₐ ≈ 10⁻⁷–10⁻⁸ eV および gₐᵧᵧ ≈ 10⁻¹¹ GeV⁻¹ であり、これはGRB 221009Aの高エネルギー光子をアクシオン-光子振動によって説明するのにも必要な値と一致する。
• 場の揺らぎの急速な増大により、FOPT中にはオシロコンが形成される。これは、二次相転移や標準ミスアライメントシナリオには存在しない特徴的特徴である。
• オシロコン形成に起因する重力波信号は現在の検出限界では弱すぎるが、バブル衝突に起因するGWは低周波数でピークを示し、ダークセクターがALP生成によって冷却されることでNANOGrav 15年分のヒントを説明可能となる可能性がある。
• 本シナリオでは、図1の水色線と緑線の間のパラメータ空間でのALPダークマターの検出が、FOPTメカニズムおよびオシロコン形成の確認を示すと予測している。
• QCDアクシオンとALPの両方が存在する場合、QCD相転移中に準位が交差することで、合計のダークマター豊度がさらに増幅される可能性がある。