[論文レビュー] Hydrogen spin oscillations in a background of axions and the 21-cm brightness temperature

Gaetano Lambiase, Sujata Mohanty|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ダークエイジの水素原子における一貫したアキソンの放出・吸収が、中性水素のスピン温度を低下させることで、EDGESが観測した異常に深い21cm吸収深さを説明すると提案している。ジェイネス＝カミンズ模型に類似したアプローチにより、一貫したアキソン誘発スピン反転が $\Omega \propto 1/f_a$ のスケーリングを示し、スピン温度が $T_s \sim 1.68$ K に共鳴的に低下することを示しており、これは電弱時代における宇宙ひも崩壊によって生成された相対論的アキソンから生じる。

ABSTRACT

The 21-cm line signal arising from the hyperfine interaction in hydrogen has an important role in cosmology and provides a unique method for probing of the universe prior to the star formation era. We propose that the spin flip of Hydrogen by the coherent emission/absorption of axions causes a lowering of their spin temperature and can explain the stronger than expected absorption of 21-cm light reported by the EDGES collaboration. We find the analogy of axion interaction with the two level HI with the Jaynes-Cummings model of a two level atom in a cavity and we derive the spin flip frequency in this formalism and show that the coherent oscillations frequency $Ω\propto 1/f_a$ in contrast with the incoherent transitions between the HI hyperfine levels where the transition rates $\propto 1/f_a^2$. The axion emission and absorption rates are equal but the spin temperature is still lowered due to different selection rules for the spin flip transitions compared to the photon process. We show that the axion process goes in the right direction for explaining the EDGES observation. For this mechanism to work we require a coherent field of relativistic axions with energy $E_ν$ peaked at the 21-cm spin-flip energy. Such a coherent background of relativistic axions can arise from the decay of cosmic strings if the decay takes place in the electroweak era.

研究の動機と目的

• 標準的宇宙論が予測するよりも深い21cm吸収深さを示したEDGESの観測結果を説明すること。
• 赤方偏移 $z \sim 17$ における観測された輝度温度 ($T_{21} = -500$ mK) と理論的下限値 $-209$ mK の乖離を解消すること。
• 一貫したアキソン相互作用が水素のハイパーファイン準位に作用し、スピン温度を力学的温度以下に低下させるメカニズムを提案すること。
• 一貫性のない光子過程とは対照的に、一貫した背景からのアキソン誘発スピン反転が支配的になることを示すこと。

提案手法

• 水素原子を2準位系として扱い、一貫したアキソン場と相互作用するためのジェイネス＝カミンズ模型を採用する。
• 一貫したアキソン誘発スピン反転のラビ的振動周波数 $\Omega \propto 1/f_a$ を導出する。これは、一貫性のない崩壊率 $\Gamma \propto 1/f_a^2$ と対照的である。
• アキソン背景を、電弱時代における宇宙ひも崩壊によって生成された相対論的アキソンのコherent状態としてモデル化する。
• アキソンの運動量分布と数密度を計算し、水素の速度分散に対しても共鳴状態を維持するバンド幅の広いスペクトルが得られることを示す。
• 共鳴吸収／放出を保証するための条件 $E_{10} = E_a$ を用いる。アキソンの運動量が21cm遷移エネルギーに合わせて調整される。
• 得られたスピン温度を計算し、EDGES観測と比較することで、$T_s \sim 1.68$ K が達成可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水素原子による一貫したアキソンの放出・吸収は、EDGESが観測した深すぎる21cm吸収深さを説明できるか？
• RQ2 発生・吸収率が等しいにもかかわらず、なぜアキソン誘発スピン反転過程はスピン温度を低下させるのか？一貫性のない過程とはどのように異なるのか？
• RQ3 宇宙ひも崩壊から生じる一貫したアキソン背景は、どのようにして水素のスピン温度を共鳴的に低下させるのか？
• RQ4 光子誘発スピン反転を上回るために必要なアキソン場の強度とコherencyは何か？
• RQ5 アキソンの質量と崩壊定数を微調整なしに、21cm遷移エネルギーと一致させることが可能か？

主な発見

• 一貫したアキソン誘発スピン反転周波数は $\Omega \propto 1/f_a$ のスケーリングを示し、スピン温度の共鳴的低下を可能にする。
• アキソン誘発過程によりスピン温度は $T_s \sim 1.68$ K に低下し、EDGES観測の $T_{21} = -500$ mK と整合的である。
• このメカニズムが成立するのは、アキソン誘発遷移が三重項状態の1つの線形結合にのみ結合するのに対し、光子は3つの状態すべてに結合するため、ネットで冷却効果が生じるからである。
• ピークエネルギー $E_a \sim 5.9 \mu$eV の一貫したアキソン背景は、電弱時代における宇宙ひも崩壊から自然に生じる。
• 宇宙暁におけるアキソン数密度は $n_a \sim 10^{-5}$ eV³ であり、光子誘発スピン反転を上回る十分な大きさである。
• 現在のエネルギー密度におけるアキソン寄与は劣性（$\sim 10^{-4}$ 偽密度）であり、宇宙論的制約と整合的である。