[論文レビュー] The cold axion populations

S. Chang, C. Hagmann+1 more|ArXiv.org|Dec 10, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、宇宙における冷たいアキソンの3つの起源である真空再配列、ストリングの崩壊、壁の崩壊を体系的に分析し、すべてが宇宙論的エネルギー密度に寄与することを示している。Post-Peccei-Quinnインフレーションがない場合、閉じた宇宙のためのアキソン質量は約6 × 10⁻⁶ eVであると判明し、速度分散が約10³の違いを示す2つの異なる冷たいアキソン集団が存在する。

ABSTRACT

We give a systematic discussion of the contributions to the cosmological energy density in axions from vacuum realignment, string decay and wall decay. We call these the cold axion populations because their kinetic energy per particle is at all times much less than the ambient temperature. In case there is no inflation after the Peccei-Quinn phase transition, the value of the axion mass for which axions contribute the critical energy density for closure is estimated to be of order $6 \cdot 10^{-6}$ eV, with large uncertainties. It is emphasized that there are two groups of cold axions differing in velocity dispersion by a factor of order $10^3$.

研究の動機と目的

• 真空再配列、ストリングの崩壊、壁の崩壊という3つの異なるアキソン生成メカニズムからの宇宙論的エネルギー密度寄与を体系的に評価すること。
• 冷たいアキソン（粒子あたりの運動エネルギーが周囲の温度に比べて著しく小さいもの）の物理的起源と性質を明確にすること。
• Peccei-Quinn相転移後のインフレーションが存在しない場合に、宇宙の閉じるための臨界密度を達成するためのアキソン質量を特定すること。
• 速度分散に著しい差を示す2つの異なる冷たいアキソン集団を特定・特徴づけること。
• 宇宙論的パラメータおよびアキソン生成メカニズムの不確実性を考慮に入れた、閉じるためのアキソン質量の定量的推定を提供すること。

提案手法

• Peccei-Quinn相転移に続く真空再配列によるアキソン生成をモデル化し、ずれ角の分布を仮定する。
• ストリングネットワークのダイナミクスとそのアキソンへの崩壊を含めた、宇宙的ストリングの崩壊によるアキソン生成の分析。
• 複数のPeccei-Quinn対称性破れ真空を伴うモデルにおける、ドメイン壁の崩壊からのアキソン放出の研究。
• 宇宙論的進化方程式とアキソン生成断面積を用いて、各源からのアキソンの全エネルギー密度を計算する。
• 異なる源からのアキソン集団の速度分散を比較し、約10³の違いを示す2つのグループを特定する。
• 全アキソンエネルギー密度と観測的制約を用いて、宇宙の閉じるための臨界密度を達成するためのアキソン質量を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真空再配列、ストリングの崩壊、壁の崩壊からのアキソンの宇宙論的エネルギー密度への全寄与は何か？
• RQ2 異なる生成メカニズムに起因するアキソン集団の速度分散はどのように比較できるか？
• RQ3 Peccei-Quinn相転移後にインフレーションが発生しなかった場合、宇宙の閉じるための臨界密度を生じるためのアキソン質量は何か？
• RQ4 宇宙論的パラメータの不確実性は、閉じるための推定アキソン質量にどのように影響するか？
• RQ5 2つの冷たいアキソン集団は、運動エネルギーと宇宙論的進化の観点から、どのように区別されるか？

主な発見

• アキソンの全宇宙論的エネルギー密度は、主に3つの源に起因する：真空再配列、宇宙的ストリングの崩壊、ドメイン壁の崩壊。
• 速度分散が約10³の違いを示す2つの異なる冷たいアキソン集団が存在し、これは異なる力学的起源を示している。
• Post-Peccei-Quinnインフレーションがない場合、宇宙の閉じるための臨界密度を達成するためのアキソン質量は、およそ6 × 10⁻⁶ eVと推定される。
• この質量推定値には、アキソンの崩壊定数、ずれ角、およびアキソン生成時のハッブル定数の不確実性が大きく影響しており、大きな不確実性を伴う。
• 標準的シナリオでは、真空再配列が支配的集団を占めるが、ストリングおよび壁の崩壊は追加的かつ顕著な寄与をもたらす可能性がある。
• 本論文は、3つのアキソン源がすべて非熱的であり、宇宙の進化全般にわたり冷たいままであることから、「冷たいアキソン集団」という用語の正当性を強調している。