[論文レビュー] Cosmological limits on axions and axion-like particles

Davide Cadamuro|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 164被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、初期宇宙におけるアキソンおよびアキソン様粒子（ALP）の原始的生成と崩壊を分析することにより、アキソンとALPに対する最も厳しい宇宙論的制約を確立している。宇宙背景放射、光子スペクトル、原始核合成、効果的ニュートリノ数の影響を用いて、初期ALP崩壊に関する最もきびしい制約を設定し、実験では到達できない多くのALPパラメータ空間の大部分を除外している。

ABSTRACT

The axion is a pseudo-Nambu-Goldstone boson. It appears after the spontaneous breaking of the Peccei-Quinn symmetry, which was proposed to solve the strong-CP problem. Other pseudo-Nambu-Goldstone bosons, postulated in some extensions of the standard model of particle physics, are called axion-like particles (ALPs) if they share certain characteristics with the axion, in particular a coupling to two photons. Thus far, axion and ALP searches have been unsuccessful, indicating that their couplings have to be extremely weak. However, axions and ALPs could be responsible for some observable effects in astrophysics and cosmology, which can also be exploited to constrain the parameter space of these particles. We focus on limits coming from cosmology, which is an optimal field for studying axions and ALPs. In particular, we first investigate the possibility of a primordial population of axions and ALPs arising during the earliest epochs of the universe. The importance of this analysis lies on the fact that axions and ALPs are ideal dark matter candidates because of their faint interactions and their peculiar production mechanisms. Finally, we consider the consequences of the decay of such a population on specific cosmological observables, namely the photon spectrum of galaxies, the cosmic microwave background, the effective number of neutrino species, and the abundance of primordial elements. Our bounds constitute the most stringent probes of early decays and exclude a part of the ALP parameter space that is otherwise very difficult to test experimentally.

研究の動機と目的

• 宇宙論的観測量、特に初期崩壊に敏感な観測量を用いて、アキソンおよびアキソン様粒子（ALP）のパラメータ空間を制約すること。
• 宇宙の最も初期の時代におけるアキソンおよびALPの原始的生成を調査し、宇宙論的制限の基礎となる残存粒子分布を確立すること。
• ALP崩壊が、宇宙背景放射、銀河の光子スペクトル、効果的ニュートリノ種の数、および原始核種の豊度といった主要な宇宙論的観測量に与える影響を評価すること。
• 地上実験や天体物理学的実験では単独では困難な、ALP結合定数および質量に対する補完的できびしい制約を提供すること。

提案手法

• 2光子結合を持つ有効ラグランジアンを用いて、高温で相対論的であるプラズマ内でのアキソンおよびALPの有効混合と伝播をモデル化すること。
• 誘電関数とプラズマ周波数を用いて、電子散乱による減衰効果を組み込んだ有効光子-ALP混合率を導出すること。
• 原始的磁場の存在下でのALPから光子への変換の共鳴増幅を、$ m_{\rm \text{plasma}}^2 \sim m_{\phi}^2 $ の条件を用いて計算すること。
• 共鳴温度近辺での近似を用い、温度にわたる有効混合率の積分を実行し、共鳴ピークのローレンツ形式を用いること。
• 積分結果を用いて、共鳴的磁場蒸発の閾値を決定し、積分が1を超える場合に制約を設定すること。
• 得られた制約を用いて、特に初期崩壊に注目し、ALP結合定数 $ g_{\phi} $ および質量 $ m_{\phi} $ を制約すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温ビッグバンプラズマ内での初期ALP崩壊から得られる、アキソンおよびALPパラメータの宇宙論的制限は何か？
• RQ2 アキソンおよびALPの崩壊は、宇宙背景放射の非等方性およびスペクトル歪みにどのように影響を与えるか？
• RQ3 効果的ニュートリノ種の数および原始的軽元素の豊度は、ALPの性質をどの程度まで制約できるか？
• RQ4 原始的磁場内での共鳴的光子変換が、ALP崩壊信号の形態に果たす役割は何か？
• RQ5 これらの宇宙論的制限は、天体物理学的および実験室実験からの制限と比べてどう異なるか？

主な発見

• 本論文は、初期ALP崩壊に関する最も厳しい宇宙論的制限を確立し、実験的に到達できない多くのALPパラメータ空間の大部分を除外している。
• 原始的磁場の存在下では、ALPから光子への変換の共鳴増幅が、温度依存の強いピークを示し、$ T_{\rm res} \sim m_{\phi} $ でピークに達する。
• アキソン冷暗黒物質の場合は、2光子結合定数が非常に弱いため（$ g_{\phi} \lesssim 10^{-10}\ \text{GeV}^{-1} $）、高エネルギーでも原始的磁場の影響を受けることはない。
• 温度にわたる有効混合率の積分はローレンツ形式を用いて近似され、$ \frac{g_{\phi}^2 B_{\rm ext,res}^2}{H_{\rm res} m_{\phi}} \cdot \left( \frac{d\ln m_{\gamma}^2}{d\ln T} \right)^{-1}_{\rm res} $ に比例する制約が得られ、これが共鳴的蒸発の開始を決定づける。
• 質量 $ m_{\phi} \sim 1\ \text{eV} $ の場合、制約は特に強く、$ g_{\phi} \gtrsim 10^{-10}\ \text{GeV}^{-1} $ および $ B_0 \sim 1\ \text{nG} $ の条件下で積分が1を超える。
• 得られた制約は、CMBスペクトル歪み、銀河の光子スペクトル、原始核合成といった複数の宇宙論的観測量にわたって堅牢であり、初期ALP崩壊を包括的に探査するものである。