[論文レビュー] Axion hot dark matter bound, reliably

Luca Di Luzio, G. Martinelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、axionのホットダークマター（HDM）境界 $m_a \lesssim 1$ eV が広く受け入れられているが、これがチャーミカル摂動理論の有効範囲を超えた外挿に基づいているため信頼性が低いことを挑戦する。次-leading orderでのaxion-π粒子の熱平衡化率を計算することで、有効場理論の破綻を明らかにし、より厳密な手法として格子QCDを用いたHDM境界の抽出を提唱する。

ABSTRACT

We show that the commonly adopted hot dark matter (HDM) bound on the axion mass $m_a \lesssim$ 1 eV is not reliable, since it is obtained by extrapolating the chiral expansion in a region where the effective field theory breaks down. This is explicitly shown via the calculation of the axion-pion thermalization rate at the next-to-leading order in chiral perturbation theory. We finally advocate a strategy for a sound extraction of the axion HDM bound via lattice QCD techniques.

研究の動機と目的

• axionの一般的に引用される $m_a \lesssim 1$ eV のホットダークマター境界の信頼性を再評価すること。
• HDM境界を導出するために用いられた外挿におけるチャーミカル摂動理論の破綻を特定すること。
• 有効場理論に代わる、より頑健な手法として格子QCDを用いてaxionのHDM境界を決定する方法を提唱すること。

提案手法

• チャーミカル摂動理論の次-leading orderでaxion-π粒子の熱平衡化率を計算し、EFT展開の妥当性を評価する。
• axionの熱平衡化に関連する温度範囲におけるチャーミカル展開の収束性と破綻を分析する。
• axion物理学における有効場理論記述が無効になるエネルギースケールおよび運動量領域を同定する。
• axionの相互作用および熱平衡化率を信頼性高く計算するための非摂動的代替手法として格子QCDを提唱する。
• HDMシナリオにおけるaxion質量の制約に、熱平衡化率を主要な観測量として用いる。
• 外挿されたEFT結果に依存するのではなく、第一原理の格子計算からHDM境界を抽出するフレームワークを確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ一般的に受け入れられている $m_a \lesssim 1$ eV のaxion質量制限がホットダークマターの文脈で信頼できないとされるのか？
• RQ2 axion-π粒子相互作用を記述するチャーミカル摂動理論が、熱平衡化に関連してどのスケールまたはエネルギー領域で失敗するのか？
• RQ3 axion-π粒子の熱平衡化率の次-leading order計算が、有効場理論の手法の限界をどのように明らかにするのか？
• RQ4 どのような代替手法がaxionのホットダークマター境界をより信頼性高く決定できるのか？
• RQ5 格子QCD手法を用いて、外挿されたチャーミカル摂動理論に依存せずにaxionの熱平衡化率を計算できるのか？

主な発見

• HDM境界を導出するために用いられたチャーミカル摂動理論の展開は、axionの熱平衡化に必要な関連エネルギースケールで破綻する。
• axion-π粒子の熱平衡化率の次-leading order計算により、EFTがHDM境界が通常導出される温度範囲では有効でないことが示された。
• 1 eVの境界に至る外挿は理論的に根拠がなく、信頼できる制約とは言えない。
• 有効場理論の破綻は、HDM境界を非摂動的手法を用いて再評価する必要があることを示唆する。
• 格子QCDは、axion相互作用の計算およびHDM境界の第一原理からの導出に実用的でより厳密な代替手段であると特定された。
• チャーミカル摂動理論の制限を避けるために、格子QCDに基づく新しい戦略を提唱する。