[論文レビュー] Constraining Ultralight Axions with Galaxy Surveys

Alex Laguë, J. Richard Bond+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 117被引用数 95

ひとこと要約

この論文は、BOSSサーベイの銀河クラスタリング統計を用いて、超軽量のアクシオン暗黒物質を制限し、計算コストを70%削減する高速補間スキームを導入した。10⁻²⁵ eVで4.5倍以上、10⁻³² eVで2.1倍以上、既存の制限を改善し、95%信頼水準で10⁻³¹〜10⁻²⁶ eVのアクシオン質量範囲に対してΩₐh² < 0.004の上限を設定した。同時に、アクシオン混合による銀河四重極モーメントの非等方的シグナルと、線形偏りの増大を検出している。

ABSTRACT

Ultralight axions and other bosons are dark matter candidates present in many high energy physics theories beyond the Standard Model. In particular, the string axiverse postulates the existence of up to $\mathcal{O}(100)$ light scalar bosons constituting the dark sector. Considering a mixture of axions and cold dark matter, we obtain upper bounds for the axion relic density $\Omega_a h^2 < 0.004$ for axions of mass $10^{-31}\;\mathrm{eV}\leq m_a \leq 10^{-26}\;\mathrm{eV}$ at 95% confidence. We also improve existing constraints by a factor of over 4.5 and 2.1 for axion masses of $10^{-25}$ eV and $10^{-32}$ eV, respectively. We use the Fourier-space galaxy clustering statistics from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and demonstrate how galaxy surveys break important degeneracies in the axion parameter space compared to the cosmic microwave background (CMB). We test the validity of the effective field theory of large-scale structure approach to mixed ultralight axion dark matter by making our own mock galaxy catalogs and find an anisotropic ultralight axion signature in the galaxy quadrupole. We also observe an enhancement of the linear galaxy bias from 1.8 to 2.4 when allowing for 5% of the dark matter to be composed of a $10^{-28}$ eV axion in our simulations. Finally, we develop an augmented interpolation scheme allowing a fast computation of the axion contribution to the linear matter power spectrum leading to a 70% reduction of the computational cost for the full Monte Carlo Markov chains analysis.

研究の動機と目的

• バリオン振動分光サーベイ（BOSS）の大型銀河クラスタリングデータを用いて、超軽量アクシオン暗黒物質の制限を改善すること。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）データのみでは解消できない、アクシオンパラメータ空間におけるデゲネラシーを解消すること。
• MCMC解析における計算コストを削減するために、線形物質パワー スペクトルへのアクシオン寄与を計算するための高速かつ高精度な補間スキームを開発すること。
• 超軽量アクシオンが銀河クラスタリングに与える非等方的効果、特に銀河パワー スペクトルの四重極モーメントにおける影響を検出・定量すること。
• 宇宙論的シミュレーションにおいて、アクシオン混合が線形銀河偏りおよび物質パワー スペクトルの抑制に与える影響を評価すること。

提案手法

• バリオン振動分光サーベイ（BOSS）DR12サーベイのフーリエ空間銀河クラスタリング統計を用い、超軽量アクシオンによるΛCDMからのずれを調査する。
• アクシオン分率と宇宙論的パラメータの相関を補正するため、RegularGridInterpolatorを用いた拡張補間スキームを構築し、アクシオン伝達関数を計算する。
• マルチダーク・パッチィおよびピーク・パッチのモック銀河カタログを用いて、有効場理論アプローチの妥当性を検証し、銀河四重極モーメントにおける非等方的アクシオンシグナルを検出する。
• アクシオンに起因する線形物質パワー スペクトルの抑制を考慮した、修正された線形銀河偏りモデルを適用する。
• Classボルツマンコードと補間された伝達関数を組み合わせ、直接axionCAMBを呼び出す場合と比較して70%の実行時間短縮を達成する。
• CMB事前分布を含む・含まない両方のフルモンテカルロ・マルコフ連鎖（MCMC）解析を実施し、アクシオン残響密度および質量に対する頑健な制限を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BOSSのような銀河サーベイは、CMBデータのみに比べて、超軽量アクシオン暗黒物質の制限をどのように改善するか？
• RQ2 アクシオンに起因する抑制効果が、特に四重極モーメントにおいて銀河クラスタリングの非等方的性質に与える影響は何か？
• RQ3 小さなアクシオン分率が、宇宙論的シミュレーションにおける線形銀河偏りに与える影響は何か？
• RQ4 効率的な補間スキームは、多様な宇宙論的パrameter空間において、計算コストを最小限に抑えながらアクシオン伝達関数を正確にモデル化できるか？
• RQ5 10⁻³¹〜10⁻²⁶ eVの範囲におけるアクシオン残響密度の最も厳しい上限は何か？

主な発見

• 超軽量アクシオンの質量が10⁻³¹〜10⁻²⁶ eVの範囲にある場合、95%信頼水準でΩₐh² < 0.004の上限を設定した。
• 前回の制限と比較して、10⁻²⁵ eVでは4.5倍以上、10⁻³² eVでは2.1倍以上、制限が改善された。
• 銀河四重極モーメントに、超軽量アクシオンに起因する非等方的効果が検出された。このシグナルは、抑制された物質パワー スペクトルに起因する速度発散の減少に由来する。
• シミュレーションで、ダークマターの5%が10⁻²⁸ eVのアクシオンである場合、線形銀河偏りが1.8から2.4に増加した。
• 拡張補間スキームにより、Ωₐ/Ωₐ ≤ 0.1の範囲でパcentレベルの精度で宇宙論的パrameter空間全体にわたるアクシオン伝達関数を正確にモデル化し、計算コストを70%削減した。
• 低アクシオン濃度における補間の相対誤差は1%未満であり、広いアクシオン質量および分率範囲において高い精度を維持した。