[論文レビュー] New inflationary probes of axion dark matter

Xingang Chen, JiJi Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、インフレーション期の軽いアキソンを調べるための新しい宇宙論的観測量——曲率スペクトルと等曲率スペクトルにおける相関するクロック信号、および両モードを含む混合非ガウス性——を導入する。アキソン等曲率に対するCMBによる強い制約にもかかわらず、これらの新規なシグナルはまだ観測可能であり得る。また、テンソルモードとは無関係にインフレーション期のハッブル定数を顕著に制約できる可能性がある。

ABSTRACT

If a light axion is present during inflation and becomes part of dark matter afterwards, its quantum fluctuations contribute to dark matter isocurvature. In this article, we introduce a whole new suite of cosmological observables for axion isocurvature, which could help test the presence of axions, as well as its coupling to the inflaton and other heavy spectator fields during inflation such as the radial mode of the Peccei-Quinn field. They include correlated clock signals in the curvature and isocurvature spectra, and mixed cosmological-collider non-Gaussianities involving both curvature and isocurvature fluctuations with shapes and running unconstrained by the current data analyses. Taking into account of the existing strong constraints on axion isocurvature fluctuations from the CMB, these novel signals could still be sizable and potentially observable. In some models, the signals, if observed, could even help us significantly narrow down the range of the inflationary Hubble scale, a crucial parameter difficult to be determined in general, independent of the tensor mode.

研究の動機と目的

• インフレーション期の軽いアキソンに敏感な、標準的な等曲率制約を超えた新しい宇宙論的観測量を同定すること。
• アキソンがインフレートンおよび重いスペクテーター場（例：PQ場の径方向モード）とどのように相互作用するかを調べ、新規で観測可能なシグナルを生成するか。
• 曲率と等曲率スペクトルにおける混合非ガウス性および相関するクロック信号が、アキソンの存在と結合定数を検証するのにどのように使えるかを調査すること。
• これらのシグナルがテンソルモード測定とは無関係にインフレーション期のハッブル定数をどの程度制約できるかを評価すること。
• アキソン等曲率摂動に対する既存のCMB制約のもとで、これらのシグナルの実現可能性を評価すること。

提案手法

• インフレーション期における重いスペクテーター粒子のオンシェル生成を調べる宇宙論的コリーダー物理学を用い、初期スケール相関関数における非解析的運動量および角度依存性を生成する。
• 曲率と等曲率摂動を含む3点以上相関関数（バイスペクトル）を分析し、$icc$ や $iii$ のような混合タイプに注目する。
• 有効場理論技術を用いてループ誘導シグナルを計算し、ゲージおよびヒッグスボソンループを含む。$m_A/H \lesssim 10$ の範囲で明示的なパワー・カウンティングとループ統合を実施する。
• ヒッグス-インフレートンまたはヒッグス-アキソンの混合により、アディアバティックモードと等曲率モードの間の混合機構を導入し、非ゼロの相関 $A_{is}$ と混合角 $\cos\Delta$ を得る。
• 抑制因子として $\beta \lesssim 0.04$、$m_A/H \lesssim 10$、および $\sqrt{\beta}$ スケーリングを含め、$f^{\rm NL}_{\rm NL}$ パラメータと正規化係数を用いてシグナル振幅を推定する。
• ヒッグス-インフレートンおよびヒッグス-アキソンの両方の混合を含む状況を検討し、混合スペクトルシグナルの抑制を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的な等曲率制約を超えた新しい宇宙論的観測量は、インフレーション期の軽いアキソンを検出可能か？
• RQ2 アキソンがインフレートンおよび重いスペクテーター場と結合することで、どのような非ガウス性シグナルが生じるか？
• RQ3 曲率と等曲率スペクトルにおけるクロック信号および混合非ガウス性は、アキソン物理学の新しいプローブとしてどのように機能するか？
• RQ4 これらのシグナルがテンソルモード測定とは無関係にインフレーション期のハッブル定数をどの程度制約できるか？
• RQ5 抑制因子 $\beta$、$m_A/H$、および結合定数が、これらのシグナルの観測可能性にどのように影響するか？

主な発見

• アキソンがインフレートンおよび重いスペクテーター場と結合することで、曲率と等曲率スペクトルにおける相関するクロック信号が生じ、新しいタイプの観測可能なシグナルを提供する。
• ゲージおよびヒッグスボソンループを介して、$icc$ および $iii$ 型の混合非ガウス性が生成され、$ccc$ 型に対して $\mathcal{O}(10^{-2})$ の抑制を受けるが、依然として観測可能である可能性がある。
• $icc$ バイスペクトルシグナルの振幅は、$\sim \sqrt{\beta} \cdot H / \Lambda_f \cdot u \dot{\phi}_0 / m_A^2$ に抑制されると推定され、$\beta \lesssim 0.04$ および $m_A/H \lesssim 10$ の条件下で成立する。
• ループ効果により、曲率と等曲率モード間の混合2点相関 $A_{is}$ が生成され、$\cos\Delta \sim A_s H / (4 m_A z) \times e^{\tilde{p}}$ と表され、$m_A^{-2}$ による著しい抑制を受ける。
• ヒッグス-インフレートンおよびヒッグス-アキソンの両方の混合が存在する場合、$iii$ 型バイスペクトルの強化が生じ、$H/m_A$ による抑制が低減され、観測可能性が向上する。
• これらのシグナルは、インフレーション期のハッブル定数の範囲を顕著に狭め、テンソルモード測定とは無関係にモデルに依存しない制約を提供する可能性がある。