[論文レビュー] Axion-like Dark Matter Constraints from CMB Birefringence

G. Sigl, Pranjal Trivedi|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、光子と結合する軸子様粒子（ALPs）によって引き起こされる宇宙マイクロ波背景（CMB）の二重屈折を用いて、軸子-光子結合定数 $g_{a\gamma}$ を制約する手法を提案する。ALPによる暗黒物質の振動的背景がCMB光子に偏光回転を引き起こすとモデル化することで、現在のCMB観測から、質量範囲 $m_a \sim 10^{-27}-10^{-24}$ eV の領域で、既存の制約を最大で4桁改善する制約を導出する。

ABSTRACT

Axion-like particles are dark matter candidates motivated by the Peccei-Quinn mechanism and also occur in effective field theories where their masses and photon couplings are independent. We estimate the dispersion of circularly polarized photons in a background of oscillating axion-like particles (ALPs) with the standard $g_{aγ}\,a\,F_{μν} ilde F^{μν}/4$ coupling to photons. This leads to birefringence or rotation of linear polarization by ALP dark matter. Cosmic microwave background (CMB) birefringence limits $Δα\lesssim (1.0)^\circ$ enable us to constrain the axion-photon coupling $g_{aγ} \lesssim 10^{-17}-10^{-12}\,{ m GeV}^{-1}$, for ultra-light ALP masses $m_a \sim 10^{-27} - 10^{-24}$ eV. This improves upon previous axion-photon coupling limits by up to four orders of magnitude. Future CMB observations could tighten limits by another one to two orders.

研究の動機と目的

• 軸子様粒子（ALP）暗黒物質が引き起こすCMBの二重屈折を用いて、軸子-光子結合定数 $g_{a\gamma}$ を制約すること。
• 質量範囲 $m_a \sim 10^{-27}-10^{-24}$ eV の超軽量ALP領域における $g_{a\gamma}$ の既存制約を改善すること。
• 将来のCMB実験が $g_{a\gamma}$ の制約をさらに強化できる可能性を評価すること。
• CMBの二重屈折が、$g_{a\gamma}$-$m_a$ パラメータ空間における他の軸子探査手法とどのように相補的かを検討すること。

提案手法

• 軸子-光子結合 $\mathcal{L}_{a\gamma} \propto g_{a\gamma} a F_{\mu\nu} \tilde{F}^{\mu\nu}$ を、光子の有効屈折率の源としてモデル化する。
• 再結合期におけるCMB光子が、振動的ALP暗黒物質背景によって引き起こされる二重屈折角を計算する。
• CMB偏光回転に関する観測的制約を適用し、$\Delta\alpha \lesssim 1.0^\circ$ を制約として採用する。
• ALP質量 $m_a$ に依存する $g_{a\gamma}$ の制約を導出し、$m_a \gtrsim m_{a,\text{ref}} \sim 3 \times 10^{-26}$ eV の領域では $m_a^2$ のスケーリングに従う。
• 宇宙論的制約に基づき、ALP暗黒物質割合 $F = \Omega_a / \Omega_c$ を $F \sim 10^{-1}$ から $10^{-2}$ の範囲に設定する。
• CMB-S4、COrE、PICO などの将来のCMB実験を用いて、今後の感度を予測し、1〜2桁のさらなる改善が見込まれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軸子様粒子暗黒物質がCMB光子に引き起こす最大の二重屈折角はどれくらいか？
• RQ2 現在のCMB観測は、超軽量ALPのための軸子-光子結合定数 $g_{a\gamma}$ をどのように制約するか？
• RQ3 将来のCMB実験は、これらの制約をどの程度まで強化できるか？
• RQ4 $g_{a\gamma}$ の制約は、ALP暗黒物質割合 $F$ と質量 $m_a$ にどのように依存するか？
• RQ5 CMBの二重屈折は、$g_{a\gamma}$-$m_a$ 平面上で他の軸子探査手法と比較してどの程度感度が優れているか？

主な発見

• 現在のCMB二重屈折制約 $\Delta\alpha \lesssim 1.0^\circ$ は、基準質量 $m_{a,\text{ref}} \sim 3 \times 10^{-26}$ eV において、軸子-光子結合定数を $g_{a\gamma} \lesssim 1.6 \times 10^{-15}$ GeV$^{-1}$ まで制約する。
• 質量 $m_a \sim 10^{-27}-10^{-24}$ eV の範囲で、既存の制約を最大で4桁改善する。
• $m_a \gtrsim m_{a,\text{ref}}$ の領域では、制約が $g_{a\gamma} \propto m_a^2$ のスケーリングに従い、ALPの振動周波数依存性を反映する。
• ALP暗黒物質割合 $F$ に対しては弱い依存性 $g_{a\gamma} \propto F^{-1/2}$ を示し、$F \sim 10^{-8}$ でさえも有効な制約を維持する。
• CMB-S4、COrE、PICO などの将来のCMB実験により、さらに1〜2桁の感度向上が見込まれる。
• 本手法は、太陽望遠鏡、ハロスコープ、光を壁に通す実験など、他の軸子探査手法と、$g_{a\gamma}$-$m_a$ パラメータ空間で相補的である。