[論文レビュー] Cosmological production of ultralight dark matter axions

Alberto Díez-Tejedor, David J. E. Marsh|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、超軽量のaxion-like粒子の宇宙論的生成を、fuzzy dark matterの候補として検討し、非摂動的インスタントンポテンシャルと温度依存質量を組み込んだ。その結果、これらの効果により場の振動が遅れ、物質パワースペクトルにおける抑制スケールが増加し、$ f_a \gtrsim 10^{16}\,\text{GeV} $（または温度依存質量を用いる場合 $ \sim 10^{15}\,\text{GeV} $）の必要なaxionの崩壊定数が低下するが、等方性およびテンソルモードに関するPlanck制約を満たすことが判明した。

ABSTRACT

The highly populated, low-energy excitations of a scalar field of mass $m_a\sim 10^{-22}\, extrm{eV}$ can represent the full dark matter content of the universe and alleviate some tensions in the standard cosmological scenario on small-scales. This {\it fuzzy dark matter} component is commonly assumed to arise as the consequence of a new axion-like particle in the matter sector, yet for simplicity it is usually modeled in terms of a simple free quadratic field. In this paper we consider how the cosmological constraints are modified when the effects of an instanton potential and temperature-dependent mass are included. Current isocurvature and tensor bounds confirms that this particle should be formed before the end of a low-scale inflation period with Hubble parameter $H_I\lesssim 2.5 imes 10^{12}\, extrm{GeV}$, in accordance with previous free-field analysis. The axion decay constant, $f_a$, which fixes axion couplings, appears in the instanton potential and determines the relic abundance, the stability of galaxy cores to axion emission, and the direct searches of fuzzy dark matter. If the axion mass is $T$-independent, we find that $f_a\gtrsim 10^{16}\, ext{GeV}$ is required in order to reach the observed relic density without fine tuning the initial conditions, while for a $T$-dependent case this bound can be lowered by an order of magnitude. However, the anharmonicities in the instanton potential, and mainly a $T$-dependent mass, can delay the onset of field oscillations, leading to larger physical suppression scales in the matter power spectrum for a fixed zero-temperature axion mass. This may favor a string or accidental axion over one emerging from a strongly coupled gauge sector if this model is required to provide large galactic halo cores while simultaneously satisfying observational constraints from cosmic structure formation.

研究の動機と目的

• 非摂動的インスタントンポテンシャルおよび温度依存axion質量が、超軽量axionダークマターの残存密度に与える影響を評価すること。
• Planck 2015データによる等方性およびテンソルモードの制約を用いて、axionの崩壊定数 $ f_a $、初期のずれ角 $ \theta_i $、インフレーションスケール $ H_I $ を制約すること。
• これらの補正が、銀河ハロー核を説明するaxionモデルの妥当性に影響を及ぼすかどうか、宇宙構造制約を満たすかを評価すること。
• 精緻化された力学的ダイナミクス下で、ストリング理論的または偶然的axionモデルが、強い結合ゲージ系のaxionよりも好まれるかどうかを特定すること。

提案手法

• axionポテンシャルを温度依存質量と非調和的インスタントン項でモデル化し、$ m_a \propto T^n $ および振動開始のための多項式 $ q(x) = 1 - x^p $ を用いてパrameter化する。
• axion場 $ \theta $ の運動方程式を数値的に解き、調和的および非調和的ポテンシャルを含めた上で、$ t_f = 10 t_{\rm osc} $ までにエネルギー密度の時間発展を評価する。
• 残存密度抑制の代理指標として、非調和的エネルギー密度と調和的エネルギー密度の比 $ f_{n_a} = \rho_{\rm anh}/\rho_{\rm har} $ を用いる。
• Planck 2015の制約（$ r < 0.168 $ at 95% CL および $ \alpha_0 < 0.037 $）を用い、等方性およびテンソルパワースペクトルを通じて $ H_I $、$ f_a $、$ \theta_i $ を制約する。
• インフレーションスケールの上限 $ H_I < 5.206 \times 10^{14}\,\text{GeV} $ を導出し、等方性制約から $ H_I / (|\theta_i| f_a) < 2.885 \times 10^{-5} $ のより厳しい制約を得る。
• 物質パワースペクトルにおける物理的抑制スケールを銀河コアサイズと比較し、温度依存質量モデルではこれらが独立していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非調和的インスタントンポテンシャルおよび温度依存axion質量は、初期宇宙における場の振動の開始にどのように影響を与えるか？
• RQ2 初期条件の微調整なしに観測されたダークマターの残存密度を達成するための最小のaxion崩壊定数 $ f_a $ は何か？
• RQ3 Planckによる等方性およびテンソルモードの制約は、インフレーションスケール $ H_I $ および積 $ |\theta_i| f_a $ の制限をどのように示すか？
• RQ4 axion質量の $ T $-依存性が、物質パワースペクトルの抑制スケールとゼロ温度下のaxion質量との相関をどの程度解消するか？
• RQ5 温度依存質量と非摂動的ポテンシャルを組み込むことで、ストリング理論的または偶然的axionモデルが、強い結合ゲージ系のaxionよりも好まれるか？

主な発見

• 温度依存axion質量の導入により、場の振動の開始が遅れ、振動時間に対数的発散が生じ、物質パワースペクトルにおける物理的抑制スケールが増加する。
• 温度に依存しないaxion質量の場合、$ \theta_i $ の微調整なしに観測された残存密度を達成するには $ f_a \gtrsim 10^{16}\,\text{GeV} $ が必要であり、以前の自由場解析と整合的である。
• 温度依存質量を考慮すると、場の振動抑制が強化されるため、必要な $ f_a $ は1桁低下し、$ \sim 10^{15}\,\text{GeV} $ まで低下する。
• 等方性制約からの制約は $ H_I / (|\theta_i| f_a) < 2.885 \times 10^{-5} $ であり、$ f_a \sim 10^{16}\,\text{GeV} $ の場合、$ H_I \lesssim 2.5 \times 10^{12}\,\text{GeV} $ となることが示唆され、低スケールインフレーションと整合的である。
• 温度依存質量効果を組み込むと、物質パワースペクトルの抑制スケールと銀河コアサイズとの直接相関が失われるため、ストリング理論的または偶然的axionモデルが好まれる可能性がある。
• モデルはテンソルモードおよび等方性摂動に関するPlanckデータと整合的であり、axion生成が低スケールインフレーションの終了以前に起こったことを確認する。