[論文レビュー] More axions from diluted domain walls

Keisuke Harigaya, Lian-Tao Wang|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、Peccei-Quinn（PQ）対称性の破れの後にインフレーション期が発生することで、ストリング・ドメインウォールネットワークのホライズン再入時がQCD転移の後に遅れることで、axionダークマターが著しく大きな豊度で生成されることを提案する。この結果、ドメインウォール崩壊からのaxion生成が増幅され、従来の$10^{10-12}$ GeVの範囲よりもはるかに低い$10^8$ GeVのaxion崩壊定数でも、観測されたダークマターの残存密度と整合する可能性が得られる。

ABSTRACT

We consider the scenario in which the Peccei-Quinn symmetry breaking is followed by a period of inflation. A particularly interesting case is that the string-domain wall network produced by the symmetry breaking enters the horizon after the QCD phase transition. We show that the abundance of axions produced by such a string-domain wall network is counterintuitively much larger than the conventional post-inflationary Peccei-Quinn symmetry breaking scenario. As a result, a scenario with the axion decay constant even as low as the astrophysical bound of about $10^8$ GeV can explain the observed abundance of dark matter. The axion mini-halos produced from the string-domain wall network is much more massive than the conventional scenario. We also briefly discuss models which can realize this scenario such as a Peccei-Quinn phase transition during inflation or a second inflation after a Peccei-Quinn phase transition.

研究の動機と目的

• Peccei-Quinn対称性の破れに続くインフレーション期の宇宙論的影響を調査すること。
• QCD転移後にホライズン再入が遅れるストリング・ドメインウォールネットワークがaxion生成に与える影響を調査すること。
• このシナリオ下で$10^8$ GeVという非常に低いaxion崩壊定数を持つaxionダークマターが、実現可能かどうかを特定すること。
• この枠組みにおけるaxionミニハロの形成と性質（特に質量と検出可能性）を分析すること。
• ミニハロの質量と分布といった観測可能な特徴によって、他のaxion生成メカニズムと区別できるかを検討すること。

提案手法

• PQ対称性の破れ後に生成されるストリングとドメインウォールの進化をモデル化し、それらの共動サイズがインフレーションによってホライズンを超えるように仮定する。
• インフレーションおよびQCD転移後にドメインウォールがホライズンに再入する際の崩壊から生じるaxion生成率を計算する。
• 有効場理論の手法を用いて、QCD転移とホライズン再入の時間遅れを組み込んだドメインウォール崩壊からのaxion豊度を計算する。
• 再入赤方偏移に比例する崩壊時間のスケーリングを用いて、ドメインウォール崩壊から形成されるaxionミニハロの質量および密度プロファイルを推定する。
• 等方的摂動とaxion崩壊定数に関する天体物理学的制約を適用し、妥当なパrameter空間を制限する。
• 得られたミニハロ質量スペクトルを、パルサー計時配列や光度レンズ効果といった観測プローブと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション後のPQ対称性破れと比較して、PQ対称性破れ後にインフレーションが発生する場合、axion豊度はどのように変化するか？
• RQ2 ストリング・ドメインウォールネットワークのホライズン再入がQCD転移後に遅れることで、axion生成にどのような影響を与えるか？
• RQ3 このシナリオ下で、$10^8$ GeVという非常に低い崩壊定数を持つaxionダークマターが、天体物理学的制約と整合する可能性があるか？
• RQ4 特に質量と空間的分布が、標準的なaxion生成メカニズムと比較して、axionミニハロの性質はどのように異なるか？
• RQ5 パルサー計時配列や光度レンズ効果といった観測的特徴によって、このドメインウォール崩壊メカニズムが他のaxion生成メカニズム（例えば、ミスアライメントやパラメトリック共鳴）とどのように区別できるか？

主な発見

• ストリング・ドメインウォールネットワークがQCD転移後にホライズンに再入する場合、ドメインウォール崩壊からのaxion生成が著しく増幅され、従来のインフレーション後のシナリオよりもはるかに大きなaxion豊度が得られる。
• axion崩壊定数は$fa \sim 10^8$ GeVまで低くでき、従来の$10^{10-12}$ GeVの範囲よりもはるかに低いが、正しい残存豊度を生成できる。
• このシナリオで生成されるaxionミニハロの質量は、$M_{\rm MH} \propto T_{\rm ent}^3$の近似的なスケーリングに従い、従来のシナリオよりもはるかに質量の大きなハローが形成される。
• 質量$M_{\rm MH} \gtrsim 10^{13} M_\odot$のミニハロは、パルサー計時配列や光度レンズ効果によって検出可能であり、明確な証拠となるシグナチャーを提供する。
• PQ対称性の破れが主インフレーション期の後に発生する場合、関連するモードはすでに超ホライズンにあるため、既存の等方的摂動の制約と整合する。
• このメカニズムは、運動的ミスアライメントや大きなミスアライメント角を必要としない他の低$fa$シナリオとは異なり、特徴的なミニハロ質量スペクトルを生成するため、一意の特徴を持つ。