[論文レビュー] Axion string cosmology and its controversies

Richard A. Battye, E. P. S. Shellard|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

この論文はインフレーション後のPeccei-Quinn対称性の回復状況におけるaxionストリング宇宙論を調査し、axionストリングネットワークの形成と放射性崩壊を分析してaxion質量を制約する。標準的な仮定のもと、axion質量は約100 μeVであると判明し、大きな不確実性を伴うが、より軽い質量の主張を挑戦する。

ABSTRACT

Understanding axion cosmology has important experimental consequences since it constrains the range of allowed values for the axion mass. In the standard thermal scenario, which assumes Peccei-Quinn symmetry restoration after inflation, an axion string network forms at the phase transition $T\sim\fa$ and then radiatively decays into a cosmological background of axions. Under standard assumptions for the evolution of this string network and the radiation from it, axions must have a mass of $\ma\sim 100μ{ m eV}$ with large specified uncertainties. We discuss critically the various suggestions in the literature that the axion mass migh be lighter.

研究の動機と目的

• インフレーション以降のPeccei-Quinn相転移中に形成されたaxionストリングネットワークの宇宙論的意味を評価すること。
• ストリングネットワークの崩壊に基づく標準的モデル予測が、axion質量を約100 μeVに制限することの妥当性を評価すること。
• 文献におけるより軽いaxion質量を示唆する代替的主張を批判的に検討すること。
• 放射エネルギーがaxionの残り滓密度および観測的制約に与える影響を明確にすること。

提案手法

• Peccei-Quinn相転移時における臨界温度T ≈ faにおけるaxionストリングネットワークの形成をモデル化すること。
• ストリングネットワークのスケーリング挙動と放射エネルギー放出を含む、標準的な宇宙論的進化モデルを適用すること。
• ストリングネットワークの放射性崩壊によって生成される相対論的axionモードのエネルギー密度を計算すること。
• 標準的な崩壊率とスケーリングダイナミクスを用いて、観測された宇宙論的残滓密度からaxion質量の制約を導出すること。
• 理論的予測をaxion密度およびダークマター密度に関する観測的限界と比較すること。
• ストリングネットワークの進化および放射効率に関する仮定の変化に対する質量制約の感度を評価すること。

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Peccei-Quinn状況におけるaxionストリングネットワークの標準的崩壊に基づき、予測されるaxion質量は何か？
• RQ2 ストリングネットワークのダイナミクスに関する不確実性が、導出されるaxion質量制約に与える影響は何か？
• RQ3 より軽いaxion質量を示唆する代替モデルが、宇宙論的整合性に与える影響は何か？
• RQ4 宇宙線の放射性崩壊が、観測されるaxion残滓密度をどの程度決定づけるか？
• RQ5 初期条件および崩壊メカニズムの変化に対して、100 μeVのaxion質量推定値はどの程度頑健か？

主な発見

• 標準的なaxionストリングネットワークの進化および放射性崩壊に関する仮定のもと、axion質量は約100 μeVに制限される。
• ストリングネットワークのスケーリング挙動および放射効率に関する不確実性のため、質量推定値には大きな不確実性が残存する。
• 本研究は、文献における100 μeV未満のaxion質量が顕著に軽い可能性があるという主張を挑戦する。
• axionの宇宙論的残滓密度は、主にストリングネットワークの放射によるエネルギー損失によって決定づけられる。
• 本分析は、ストリング崩壊からのaxionがm_a ~ 100 μeVで、冷たいダークマター候補として妥当であるという標準的予測を支持する。
• より軽い質量予測との不一致は、ストリングダイナミクスおよび崩壊率に関する一貫性のない仮定に起因する。