[論文レビュー] Recurrent Axinovae and their Cosmological Constraints

Patrick J. Fox, Neal Weiner+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 69被引用数 11

ひとこと要約

この論文は axion minihalos での再発性アクシオン星爆発（axinovae）を解析し、暗黒物質を相対論的アクシオンへと変換する大きな崩壊分率の可能性から、アクシオン様粒子に関する宇宙論的制約を導出する。

ABSTRACT

Axion-like dark matter whose symmetry breaking occurs after the end of inflation predicts enhanced primordial density fluctuations at small scales. This leads to dense axion minihalos (or miniclusters) forming early in the history of the Universe. Condensation of axions in the minihalos leads to the formation and subsequent growth of axion stars at the cores of these halos. If, like the QCD axion, the axion-like particle has attractive self-interactions there is a maximal mass for these stars, above which the star rapidly shrinks and converts an $\mathcal{O}(1)$ fraction of its mass into unbound relativistic axions. This process would leave a similar (although in principle distinct) signature in cosmological observables as a decaying dark matter fraction, and thus is strongly constrained. We place new limits on the properties of axion-like particles that are independent of their non-gravitational couplings to the standard model.

研究の動機と目的

• Post-inflation の対称性破れによる小スケール密度増強を伴うアクシオン様ダークマターの研究を動機づける。
• これらのハロー内で axion minihalos およびコア（axion stars） の形成を調査する。
• axinovae の再発性がダークマターを相対論的アクシオンへと変換する影響を評価し、モデルパラメータを制約する。
• 標準模型の結合に依存しないアクシオンの質量と自己結合の制約を導出する。
• 他の宇宙論的・天体物理的探査からの既存制約と比較する。

提案手法

• 小スケールでのカットオフを持つ白色雑音様の等間質（isocurvature）スペクトルを用いてアクシオンゆらぎをモデル化し、ミニハローを種として k0 ~ Hosc 付近でカットオフを設ける。
• NFW ミニハロー・プロファイルを仮定し、中心部のアクシオン星の形成・成長・爆発的崩壊（axinovae）を計算する。
• 重力相互作用と自己相互作用からの形成・成長のタイムスケールを用いて崩壊速度 df_decay/dt を推定する。
• アクシオン自己結合をマクロなアクシオン星の最大質量および爆発分率 κ ≈ 0.1 に関連づける。
• 宇宙論的な崩壊制約（暗黒物質の崩壊制約と同等）と比較できるよう、アクシオン星の総エネルギー放出を暗黒物質の崩壊分率の上限へ翻訳する。
• パラメータ空間（ma, fa）と振動温度を探索し、除外領域を特定する。

Figure 1: The exclusion region from axinovae for different assumptions for axion parameters, see text for more details. Existing limits from the black hole superradiance are shown in grey. The green region is the most conservative bound using a constant rate of $d{\rm log}M/dt$ at $M_{*}^{\rm max}\l

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポスト・インフレーション時のアクシオンゆらぎはどのように密度の高い axion mini halos と axion stars を生成するのか？
• RQ2 再発性 axinovae の発生頻度とダークマターのエネルギーバジェットへの影響はどの程度か？
• RQ3 ma, fa のパラメータ空間のどの領域がアクシオンダークマターの崩壊に関する宇宙論的制約によって除外されるのか？
• RQ4 振動温度とアクシオン成長ダイナミクスの選択は境界をどのように影響するのか？
• RQ5 これらの境界はブラックホール超回転など他の制約とどう比較されるのか？

主な発見

• アクシオンミニハローは物質と放射エネルギーの等時期（matter-radiation equality）後の小スケールゆらぎの増強から形成され、中心部のアクシオン星をホストする。
• アクシオン星は最大質量 M*max へ成長し爆発（axinovae）して、質量の大きな分率を相対論的アクシオンへと変換する。
• 等時期後のアクシオン星の累積崩壊は、全暗黒物質密度の約 2.62% 未満に制約され、崩壊 DM 制約（2σ）に類似する。
• 崩壊率は ma, fa, 構造質量 M0（または Mpeak）と赤方偏移 zc に依存し、早期の形成は制約を強化する。
• 異なる成長モデル（d log M/dt の一定 vs M ∝ t1/α のべき法則）は ma, fa パラメータ空間で控えめ〜最強の除外を生む。
• 得られた除外領域はFig. 1 に示され、アクシオンの標準模型場への結合性に依存せず、重力と自己相互作用のみに基づく。

Figure 2: The exclusion plot of axion parameters from axinovae. The colored region represents the exclusion region assuming the axion star growth $M\propto t^{0.2}$ , where the exclusion is independent of $T_{\rm osc}$ . The gray regions are the existing limits from the black hole superradiance. Das