[論文レビュー] Early vs late string networks from a minimal QCD Axion

Marco Gorghetto, Edward Hardy+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、インフレーション期の量子揺らぎによって大スケールでのみPeccei-Quinn (PQ)対称性が回復する、最小QCDアクシオンの新しい宇宙論的状態を提案する。これにより、QCD遷移以降に形成されるアクシオンストリングネットワークが消失する。標準的なインフレーション後シナリオとは異なり、このメカニズムにより、~10⁸ GeV（アクシオン質量は最大10⁻² eV）という非常に低い崩壊定数を持つアクシオンのダークマターが可能となり、観測された残余密度を再現するとともに、de Sitter揺らぎと半径モードの過剰反応によって駆動されるストリングダイナミクスにより、約10 M⊙のミニクラスタを形成する。

ABSTRACT

We propose a new regime of minimal QCD axion dark matter that lies between the pre- and post-inflationary scenarios, such that the Peccei-Quinn (PQ) symmetry is restored only on sufficiently large spatial scales. This leads to a novel cosmological evolution, in which strings and domain walls re-enter the horizon and annihilate later than in the ordinary post-inflationary regime, possibly even after the QCD crossover. Such dynamics can occur if the PQ symmetry is restored by inflationary fluctuations, i.e. the Hubble parameter during inflation $H_I$ is larger than the PQ breaking scale $f_a$, but it is not thermally restored afterwards. Solving the Fokker-Planck equation, we estimate the number of inflationary e-folds required for the PQ symmetry to be, on average, restored. Moreover, we show that, in the large parts of parameter space where the radial mode is displaced from the minimum by de Sitter fluctuations, a string network forms due to the radial mode oscillating over the top of its potential after inflation. In both cases we identify order one ranges in $H_I/f_a$ and in the quartic coupling $\lambda$ of the PQ potential that lead to the late-string dynamics. In this regime the cosmological dark matter abundance can be reproduced for axion decay constants as low as the astrophysical constraint $O(10^8)$ GeV, corresponding to axion masses up to $10^{-2}~{ m eV}$, and with miniclusters with masses as large as $O(10)M_\odot$.

研究の動機と目的

• インフレーション期の量子揺らぎによって大スケールでのみPeccei-Quinn (PQ) 対称性が回復する、最小QCDアクシオンの新しい宇宙論的状態を探索し、事前・事後インフレーションのシナリオを接続する。
• インフレーション揺らぎがアクシオンストリングおよびドメインウォールの形成と消失をQCD遷移以降に遅らせるメカニズムを調査し、標準的な事後インフレーションダイナミクスに挑戦する。
• 遅延したストリングダイナミクスを可能にするパrameter空間（特にHI/faおよび四次結合定数λ）を特定し、低崩壊定数を持つ実現可能なアクシオンダークマターを可能にする。
• インフレーション後の半径モードの過剰反応がストリングネットワーク形成および等方的摂動に与える影響を評価し、その結果として得られるミニクラスタ質量関数を分析する。

提案手法

• 平均的なPQ対称性回復に必要なインフレーションのeフォールド数を推定するため、Fokker-Planck方程式を解く。
• インフレーション後の半径モードの進化を、確率的de Sitter揺らぎを用いてモデル化し、ポテンシャルの最小値を越えて振動する現象に特に注目する。
• 異なる初期条件（HI/faおよびλ）を用いた、放射優勢背景下でのアクシオンストリングネットワークの形成と進化を、場の理論シミュレーションでシミュレートする。
• 角速度場揺らぎ（1−cosθ）のパワースペクトルを分析し、半径モードの過剰反応の痕跡と、超ホライズン領域における等方的摂動相関の抑制を検出する。
• 異なる初期条件におけるストリングネットワークの進化（密度ξ vs. log(mρ/H)）を比較し、有効場Fに依存する普遍的なスケーリング行動を同定する。
• 相関関数および等方的パワースペクトルの解析的近似を用いて、観測的制約と照らし合わせてモデルを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション期の量子揺らぎが、熱的回復なしに大スケールでのPQ対称性を回復させることで、新しいアクシオン宇宙論のクラスを形成できるか？
• RQ2 どの範囲のHI/faおよび四次結合定数λが、QCD遷移以降に消失する遅延形成アクシオンストリングネットワークを生じさせるか？
• RQ3 インフレーション後の半径モードの過剰反応がどのようにストリングネットワークの形成を引き起こし、等方的摂動にどのような影響を与えるか？
• RQ4 このメカニズムにより、~10⁸ GeVという非常に低いアクシオン崩壊定数に対しても、観測されたダークマターの残余密度を再現できるか？
• RQ5 得られるミニクラスタ質量関数は何か？また、標準的な事後インフレーションシナリオと比べてどのように異なるか？

主な発見

• 本モデルでは、典型的な事後インフレーションの下限よりもはるかに低い、~10⁸ GeV（アクシオン質量は最大10⁻² eV）という非常に低い崩壊定数を持つ実現可能なアクシオンダークマターが可能である。
• HI/faが1階のオーダーであり、特定の四次結合定数λをとる場合、ストリングの形成が遅れ、QCD遷移以降に消失する。
• インフレーション後の半径モードの過剰反応により、初期に最小値に近い場合でも、ポテンシャル障壁を越えて振動することでストリングネットワークが形成される。
• ストリングネットワークの密度ξは、有効場Fに普遍的にスケーリングし、初期条件ではなく平均場値に依存するダイナミクスであることが示された。
• 半径モードの過剰反応により、超ホライズン領域での等方的摂動が抑制され、パワースペクトルはランダム化と整合するk³に近い抑制を示す。
• 遅延したストリングダイナミクスと密度の不均一性の増幅により、標準的な事前インフレーションモデルよりもはるかに大きな、最大で~10 M⊙のミニクラスタが形成される。