[論文レビュー] Possible evidence of QCD axion stars in HSC and OGLE microlensing events

Sunao Sugiyama, Masahiro Takada+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2021

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、Subaru Hyper Suprime-Cam (HSC) および OGLE 合衆国宇宙望遠鏡調査で検出された超短 timescale の微小レンズ効果イベントが、地球質量のアクシオン星（コンパクトなダークマターの一種）によって引き起こされる可能性を提案している。微小レンズ光曲線を用いて、著者らはアクシオン星が全ダークマターのおよそ27%を占め得ると推定しており、アクシオン質量は10⁻⁹–10⁻⁶ eVの範囲にあり、QCDアクシオンモデルおよび宇宙論的制約と整合的である。

ABSTRACT

Dark matter in the form of axions is expected to form miniclusters, and their dense regions can harbor compact axion stars. Such axion stars could be discovered by microlensing events. In particular, some candidate events reported by Subaru HSC and OGLE can be explained simultaneously if the axion stars with masses of the order of the Earth mass make up about $\sim27^{+7}_{013}$ percent of dark matter. For QCD axions, this corresponds to the axion mass in the range $10^{-9}-10^{-6}$ eV, which is consistent with the experimental constraints, as well as the cosmological anthropic window of parameters.

研究の動機と目的

• HSCおよびOGLEデータにおける超短 timescale の微小レンズ効果イベントがアクシオン星によって説明可能かどうかを調査すること。
• 観測された微小レンズ光曲線を用いて、アクシオン星によるダークマター質量分率を制約すること。
• 微小レンズデータおよび既存の実験的制約と整合するアクシオンパラメータ（質量および結合定数）の境界を導出すること。
• アクシオン星形成が、強いCP問題および人為的制約を含む宇宙論的および素粒子物理学的制約と整合的かどうかを評価すること。

提案手法

• QCDアクシオンの有効ポテンシャルに基づき、質量が約10⁻⁶ M☉、半径が約10² kmの安定でコンパクトな物体としてアクシオン星をモデル化すること。
• 微小レンズ増幅公式を用いて、モノクロマチック質量関数を仮定したもとで、点光源レンズとしてのアクシオン星の光曲線をシミュレートすること。
• ベイズ推論を用いてHSCおよびOGLEの微小レンズイベントデータを統合し、増幅および質量について周辺化することで、アクシオン星質量および存在割合の事後分布を導出すること。
• KSVZモデルにおけるアクシオン-光子結合を仮定し、推定されたアクシオン星質量分布を、関係式 M_AS ∝ m_a⁻¹ f_a を用いてアクシオン質量および結合定数の制約に変換すること。
• 地上実験および光学磁力計からの既存の制約と比較し、相補性を強調すること。
• 質量関数の形状やアクシオンモデルパラメータ（例：アクシオン-光子結合におけるE/N）の変動に対する結果の頑健性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HSCおよびOGLEデータで観測された超短 timescale の微小レンズ効果イベントは、地球質量スケールのアクシオン星によって説明可能か？
• RQ2 観測された微小レンズイベントを踏まえると、ダークマターのどの程度がアクシオン星の形で存在していると考えられるか？
• RQ3 微小レンズデータおよび既存の実験的制約と整合するアクシオン質量および結合定数の範囲は何か？
• RQ4 微小レンズによるアクシオン星の制約は、地上実験および光学磁力計のものとどのように比較されるか？
• RQ5 HSCおよびOGLEデータの観測された整合性は、単一のアクシオン星集団を示唆しているのか、それとも拡張された質量関数が両データセットを同時に説明できるのか？

主な発見

• HSCおよびOGLEの微小レンズ効果イベントは、アクシオン星が全ダークマター密度のおよそ27⁺⁷₋₁₃%を占めていることに整合的である。
• QCDアクシオンの観点から、推定されたアクシオン質量範囲は10⁻⁹–10⁻⁶ eVであり、実験的に許容される領域にあり、宇宙論的人為的窓とも整合的である。
• 微小レンズ制約は地上実験と相補的であり、地上実験は高いアクシオン質量（例：GNOMEの感度は10⁻⁴ eV以上）を探索するが、微小レンズはアクシオン質量スペクトルの低域を探索する。
• 質量関数がモノクロマチックであれば、観測されたHSCおよびOGLEイベントは単一のアクシオン星集団と整合的であるが、拡張された質量関数が存在すれば、異なる質量範囲を探索することで両データセットを同時に説明できる可能性がある。
• 質量が地球質量に近い（10⁻⁶ M☉）で、地球より小さい半径のアクシオン星は、観測された微小レンズ時間スケールおよび増幅と整合的である。
• 微小レンズによる (m_a, g_aγγ) 平面におけるデゲネラシー方向は、直接検出実験とは直交しており、相乗的検証の可能性が高まっている。