[論文レビュー] AXIONS IN ASTROPHYSICS AND COSMOLOGY

Georg G. Raffelt|ArXiv.org|Feb 21, 1995

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、星および初期宇宙におけるアキソン生成メカニズムをレビューし、アキソンが星のエネルギー損失問題を解決し、宇宙論的過剰閉じ込めを回避できることを示している。アキソンの有効な質量窓は約10⁻⁵ eVから10⁻² eVの間であり、星の進化とビッグバン核合成の制約の両方のバランスが取れている。

ABSTRACT

If axions exist they are efficiently produced in the hot and dense interior of stars, providing a novel energy-loss mechanism. In order to avoid a conflict with the observed properties of stars, one can derive a lower limit on the Peccei-Quinn scale (an upper limit on the axion mass). In the early universe, axions are produced by the ``misalignment mechanism'' and the emission from global strings as well as the relaxation of the string-domain wall system formed at the QCD phase transition. In order to avoid an ``overclosed universe'' the Peccei-Quinn scale must obey an upper limit (a lower limit on the axion mass). The current values of these bounds are reviewed. There remains a ``window of opportunity'' $10^{-5}\,\eV\lapprox m_a\lapprox 10^{-2}\,\eV$, with large uncertainties on either side, where axions could still exist. [Contribution to the XVth Moriond workshop, 21-28 Jan. 1995, Villars-sur-Ollon, Switzerland.]

研究の動機と目的

• アキソン放出が星のエネルギー損失に与える影響を評価し、ペクセイ＝クインスケールの上限を導出すること。
• 初期宇宙におけるミスアライメント機構および宇宙的ストリング／ドメインウォール崩壊によるアキソン生成を検討すること。
• 宇宙の過剰閉じ込めを防ぐための宇宙論的制約を特定すること。
• 天体物理学的および宇宙論的観測に基づいて、アキソン存在の妥当なパラメータ窓を同定すること。
• 星の冷却観測とアキソン生成および初期宇宙におけるアキソン形成を調和させること。

提案手法

• 星の高温・高密度な内部におけるアキソン生成を、プリマコフ効果および他のプロセスを通じて分析する。
• 観測された星の光度および冷却速度の制約を適用し、ペクセイ＝クインスケールの下限を設定する。
• QCD相転移期におけるミスアライメント機構によるアキソン生成を評価する。
• QCD相転移時に形成されたグローバル宇宙的ストリングおよびドメインウォールの寄与を検討する。
• ビッグバン核合成および宇宙マイクロ波背景からの制約を組み合わせ、ペクセイ＝クインスケールの上限を設定する。
• アキソン生成およびエネルギー損失の理論的モデリングを用いて、妥当な質量窓を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星のエネルギー損失は、ペクセイ＝クインスケールおよびアキソン質量にどのような制約を課すか？
• RQ2 初期宇宙におけるアキソン生成メカニズムは、全エネルギー密度にどのように影響するか？
• RQ3 QCD相転移後に、宇宙的ストリングおよびドメインウォールがアキソン生成に果たす寄与は何か？
• RQ4 アキソンは宇宙の過剰閉じ込めを避けることができるか？その豊度に関する宇宙論的制約は何か？
• RQ5 天体物理学的および宇宙論的制約を両方満たすアキソンの妥当な質量窓は何か？

主な発見

• 星におけるアキソン生成はエネルギー損失を増加させ、ペクセイ＝クインスケールをある値以上に制約し、これがアキソン質量の上限に相当する。
• 初期宇宙におけるミスアライメント機構によるアキソン生成は、宇宙のエネルギー密度に寄与し、過剰閉じ込めを避けるために注意深い調整が必要である。
• 宇宙的ストリングおよびドメインウォールの崩壊は、特にQCD相転移付近で追加のアキソン生成チャネルを提供する。
• 星の冷却と宇宙論の両方の制約を組み合わせることで、約10⁻⁵ eVから10⁻² eVの妥当なアキソン質量窓が定義される。
• この窓の両端には依然として大きな不確実性が残っており、現在の観測限界内でアキソンの存在が許容される余地がある。
• この論文は、アキソンにとっての機会の窓が存在すると結論づけ、現在の天体物理学的および宇宙論的データからは明確な除外がないと結論している。