[論文レビュー] Axion mass in the case of post-inflationary Peccei-Quinn symmetry breaking

Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

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

ひとこと要約

本稿は、インフレーション後にPeccei-Quinn (PQ)対称性が回復し、その後破れるモデルにおけるアクシオン暗黒物質の生成を調査する。真空再配置、アクシオンストリング、ストリング・ウォール系の寄与を分析した結果、NDW = 1の場合、アクシオン質量が58–150 µeVの範囲にあれば、すべてのコールド・ダーク・マターを説明可能であるが、最近のシミュレーションではストリングおよびウォール寄与が抑制されるため、26.2 ± 3.4 µeVという低い質量が示唆されている。

ABSTRACT

The axion not only solves the strong CP puzzle, but it also may be the main constituent of cold dark matter. We review the axion dark matter predictions for the case that the Peccei-Quinn symmetry is restored after inflation.

研究の動機と目的

• 本稿の目的は、インフレーション後のPQ対称性の破れのシナリオにおけるアクシオン暗黒物質の密度を特定することである。
• 真空再配置、アクシオンストリング、ストリング・ウォール系の相対的寄与が全アクシオン暗黒物質密度に与える影響を調査することである。
• 特にドメインウォールの安定性と暗黒物質制約への影響に注目し、NDW = 1およびNDW > 1のアクシオンモデルの宇宙論的妥当性を評価することである。
• 最近の場の理論シミュレーションが、従来の予測よりも低いアクシオン質量を示唆しているという事実の意味を検討することである。

提案手法

• 研究は、初期宇宙におけるアクシオン場のダイナミクスをモデル化するために有効場理論および熱場理論を用いる。
• 温度依存のハッブル定数とトポロジカル感受性を用いたアクシオン場の運動方程式、¨θ + 3H(T) ˙θ + χ(T)/fA² sin θ = 0 を適用する。
• スケーリング解法とシミュレーションベースのパラメータを用いて、真空再配置（VR）、ストリング放射（S）、ストリング・ウォール崩壊（C）によるダーク・マター寄与を推定する。
• ρS = ζ µS / t² というスケーリング則を用いて、ストリングネットワークのエネルギー密度をモデル化し、lattice QCDの結果をχ(T)に取り入れる。
• ドメインウォールの安定化に寄与する、明示的なPQ対称性の破れ項 L ⊃ g Mₚ⁴ (σ/MP)^N + h.c. を組み込む。
• 場の理論シミュレーションの結果と宇宙論的制約を統合し、fAおよびmAの境界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション後のPQ対称性の破れにおいて、真空再配置、アクシオンストリング、ストリング・ウォール系をすべて含めた場合、全アクシオン暗黒物質密度はどの程度になるか？
• RQ2 アクシオンストリングおよびストリング・ウォール系の寄与が、真空再配置のみを考慮した場合と比較して、予測されるアクシオン質量範囲にどのように影響を与えるか？
• RQ3 最近の場の理論シミュレーションが、NDW = 1の場合に従来の予測（58–150 µeV）よりも顕著に低いアクシオン質量（26.2 ± 3.4 µeV）を報告する理由は何か？
• RQ4 NDW > 1のモデルに課される宇宙論的制約は何か？ドメインウォールの安定性を回避するにはどうすればよいか？
• RQ5 fA ≈ 4.4 × 10⁷ GeV から 1 × 10¹⁰ GeV のDFSZモデル（NDW = 6）におけるアクシオンは、ダーク・マターと星のエネルギー損失の兆候の両方を説明できるか？

主な発見

• NDW = 1の場合、全アクシオン暗黒物質密度は Ω_A h² ≈ 1.6⁺¹·⁰₋₀·⁷ × 10⁻² × (fA / 10¹⁰ GeV)^1.165 であり、予測される質量範囲は58–150 µeVである。
• 最近の場の理論シミュレーションは、ストリングおよびウォール寄与が抑制されるため、26.2 ± 3.4 µeVという低いアクシオン質量を示唆している。
• この低減は、放射量子あたりのアクシオンエネルギーが高くなる（ǫ ≈ 40）ことと、従来のシミュレーションが捉えられなかった小スケールのダイナミクスに起因するとされる。
• NDW = 1の場合、fA ≈ (3.8–9.9) × 10¹⁰ GeV であれば、アクシオンはすべてのコールド・ダーク・マターを説明可能であり、mA ≈ (58–150) µeV に対応するが、新しいシミュレーションではより低い有効質量範囲が想定される。
• NDW > 1の場合、明示的なPQ対称性の破れ項が導入されない限り、安定なドメインウォールは宇宙論的に問題となる。N = 9または10の場合、fA が 4.4 × 10⁷ GeV から 1 × 10¹⁰ GeV、mA が 0.56 meV から 130 (4.5) meV の範囲で有効なモデルが存在する。
• NDW = 6 で mA ≈ 0.56 meV から 130 meV のDFSZアクシオンモデルは、ダーク・マターと観測された星のエネルギー損失の両方を説明できる可能性があるが、直接検出は依然として困難である。