[論文レビュー] Axions in Cold Dark Matter and Inflation Models

Luca Visinelli|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 204被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、標準的および非標準的宇宙論モデルにおける冷たい暗黒物質（CDM）としてのアキソンの可能性を、歪みなしメカニズムおよびストリングの崩壊シナリオを用いて調査する。標準的、LTR、およびキネーション宇宙論において、GUTスケール（$f \sim 10^{16}$ GeV）に近い崩壊定数を有するアキソンがCDMを完全に説明できることを示し、GUTスケールで安定化される温かく自然なインフレーションモデルを提案する。このモデルは現在のCMBデータと整合し、重力波生成を抑制する。

ABSTRACT

The subjects of this thesis are the invisible axion and the more general family of axion-like particles. The invisible axion is a hypothetical elementary particle and a cold dark matter candidate. I present an improved computation of the constraints on the parameter space of the cold dark matter axion in the standard cosmology, that includes the contributions from anharmonicities in the axion potential and from the decay of axionic strings. In this scenario, I update the value of the mass of the cold dark matter axion, finding the value $(67\pm17){ m μeV}$, approximately one order of magnitude larger than previous computations. The effect of nonstandard cosmological scenarios on the parameter space of axion cold dark matter is studied for the first time. In particular, I consider the cases of low-temperature reheating and kination cosmologies, and I show that the mass of the cold dark matter axion can differ from the value in the standard cosmological scenario by orders of magnitude. Finally, I consider the family of axion-like particles, assuming that these particles serve as the inflaton in the context of warm inflation. I find that the axion energy scale $f$, which in the standard inflation scenario is of the order of the Planck mass, can be lowered to the much safer Grand Unification Theory scale $f \sim 10^{16}{ m GeV}$. I also constrain the parameter space and the amount of gravitational waves from this model, using results from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 7-year data.

研究の動機と目的

• 標準的および非標準的宇宙論的状況におけるアキソンが冷たい暗黒物質（CDM）の主成分として実現可能かどうかを評価すること。
• LTRおよびキネーションなどの非標準的宇宙論が、歪みなしメカニズムおよびストリング崩壊を通じたアキソン生成にどのように影響するかを調査すること。
• アキソン様粒子がGUTスケールの崩壊定数（$f \sim 10^{16}$ GeV）を有する温かく自然なインフレーション（NWI）モデルを構築し、観測データと整合するかを制約すること。
• NWIモデルの予測をCMB観測量、特にスカラースペクトル指数$n_s$およびテンソル対スカラー比$r$と比較し、標準的自然インフレーションと区別すること。

提案手法

• 初期宇宙におけるアキソン生成を計算するために歪みなしメカニズムを用い、FRW計量上での運動方程式を解き、振動温度およびエネルギー密度を決定する。
• スローロールインフレーションにおいて、ポテンシャル$U(\phi) = f^2 \Lambda^2 \left[1 - \cos(\phi/f)\right]$を適用し、ランジュバン型方程式に$\Gamma$による散逸を組み込む。
• 温かく自然なインフレーション枠組みにおいて、スローロール条件およびエーフォールド数を導出し、有効ポテンシャルおよび散逸率$\Gamma \propto \alpha \phi^2$を用いる。
• 曲率摂動$\mathcal{R}$を用いてスカラーおよびテンソルパワースペクトルを計算し、$n_s$および$r$を$\alpha$および$N_e$の関数として導出する。
• WMAP+BAO+SNデータからの制約を$r$-$n_s$平面で評価し、$m_\phi < 2.7 \times 10^{12}$ GeV $(r/0.22)^{1/4} (N_e/60)^{-13/16} (g_*/228.75)^{5/48}$の境界を用いる。
• ストリング崩壊およびドメインウォールからのアキソン生成を分析し、さまざまな宇宙論モデルにおけるCDMの100%を占めるパラメータ空間を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 歪みなしメカニズムを介して生成されたアキソンは、標準的宇宙論において冷たい暗黒物質を完全に説明可能か？その場合、必要なアキソンの崩壊定数$f_a$はどの程度か？
• RQ2 LTRおよびキネーションなどの非標準的宇宙論は、アキソンCDMのパラメータ空間にどのように影響を及ぼし、$f_a$および初期歪みなし角度$\theta_i$にどのような制約を与えるか？
• RQ3 GUTスケール（$f \sim 10^{16}$ GeV）のアキソン様場を有する温かく自然なインフレーションモデルは、現在のCMB観測、特に$n_s$および$r$と整合可能か？
• RQ4 温かく自然なインフレーションと標準的自然インフレーションとの間には、重力波生成およびテンソル対スカラー比$r$の観点から、観測的に区別可能な差異があるか？

主な発見

• 標準的宇宙論において、アキソンがCDMの100%を占めるためには、アキソンの崩壊定数が$f_a \sim 10^{12}$ GeVであり、初期歪みなし角度が$\theta_i \sim 1$である必要があり、歪みなしメカニズムによってパラメータ空間が制限される。
• LTR宇宙論においては、標準的宇宙論と比較して必要なPQスケール$f_a^{\rm LTR}$が低減し、$T_{\rm RH} \sim 10^9$ GeVの場合、$f_a \sim 10^{16}$ GeVでもCDMの100%を達成可能である。
• キネーション宇宙論においては、$T_{\rm kin} \sim 10^9$ GeVの場合、$f_a \sim 10^{16}$ GeVのアキソンがCDMの100%を占めることが可能であり、パラメータ空間は再結合温度および初期場値に依存する。
• 温かく自然なインフレーション（NWI）モデルでは、アキソンの崩壊定数を$ f \sim 10^{16} $ GeV（GUTスケール）まで低く保つことが可能であり、標準的自然インフレーションにおけるプランクスケールの微調整を回避できる。
• このモデルは、$f \sim 10^{16}$ GeVの場合、$r \ll 10^{-14}$という抑制されたテンソル対スカラー比を予測するため、将来的な$r$測定によって標準的自然インフレーションと区別可能である。
• $f = 10^{16}$ GeVの場合、NWIモデルはWMAP+BAO+SNデータと整合し、$N_e \approx 40-50$エーフォールドを支持する。$r$および$n_s$の予測値は、95%信頼水準領域内にある。