[論文レビュー] Thermal QCD Axions across Thresholds

Francesco D’Eramo, Fazlollah Hajkarim+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 95被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、QCD相転移、重いフェルミオンおよびヒッグスボソンの質量といった主要な宇宙論的閾値を横断する、熱的QCDaxion生成の滑らかで体系的な分析を提示する。KSVZおよびDFSZ axionモデルにおける、その結果得られるaxion生成レートと、有効なニュートリノ種の数ΔN_effに与える影響を計算し、補間の詳細に依存しない頑健な予測を示している。今後のCMB-S4観測は、これらの効果を高い感度で探査できると予想される。

ABSTRACT

Thermal axion production in the early universe goes through several mass thresholds, and the resulting rate may change dramatically across them. Focusing on the KSVZ and DFSZ frameworks for the invisible QCD axion, we perform a systematic analysis of thermal production across thresholds and provide smooth results for the rate. The QCD phase transition is an obstacle for both classes of models. For the hadronic KSVZ axion, we also deal with production at temperatures around the mass of the heavy-colored fermion charged under the Peccei-Quinn symmetry. Within the DFSZ framework, standard model fermions are charged under this symmetry, and additional thresholds are the heavy Higgs bosons masses and the electroweak phase transition. We investigate the cosmological implications with a specific focus on axion dark radiation quantified by an effective number of neutrino species and explore the discovery reach of future CMB-S4 surveys.

研究の動機と目的

• 初期宇宙におけるQCD相転移および重い粒子の閾値を含む、重要な質量閾値を横断する熱的axion生成を体系的に分析すること。
• QCD遷移を滑らかに補間することで、KSVZおよびDFSZモデルにおけるaxion生成レートを不連続性を避けて計算すること。
• 熱的に生成されたaxionが有効なニュートリノ種の数ΔN_effを通じて及える宇宙論的影響を定量化すること。
• axion由来の放射能が標準模型を逸脱する場合の、将来のCMB-S4調査による検出可能性を評価すること。
• QCD相転移付近における補間手法に起因するΔN_effの理論的不確実性を評価すること。

提案手法

• ChPT（手微小摂動理論）からハドロン共鳴子領域への熱的生成レートを滑らかに接続するため、3次スプライン補間を用いる。
• ボルツマン方程式を解き、原始的な熱的バスタブ内での散乱および崩壊過程によるaxion数密度の時間発展を追跡する。
• エントロピー保存法を適用し、再結合時のaxionの共動数密度と、エントロピー内の有効自由度を介してΔN_effを関連付ける。
• CMB形成時のaxionの共動数密度とSMのエントロピー自由度を用いて、ΔN_effの一般式を導出する。
• 500 MeV付近での生成レートの変動に対するΔN_eff予測の感度を評価し、補間手法の頑健性を検証する。
• KSVZおよびDFSZモデル間で結果を比較し、重いヒッグスボソンや電弱相転移といった追加の閾値を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QCD相転移を横断する際、QCDaxionの熱的生成レートはどのように変化するのか？ また、この遷移を滑らかに補間する最適な手法は何か？
• RQ2 KSVZおよびDFSZ axionモデルにおいて、熱的に生成されたaxionが有効なニュートリノ種の数ΔN_effに与える寄与は何か？
• RQ3 QCD相転移付近における生成レートの補間に起因する不確実性は、ΔN_effの予測にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 将来のCMB-S4調査が、標準模型を逸脱するaxion由来の放射能を検出できる範囲はどの程度か？
• RQ5 重いフェルミオン（KSVZモデル）や重いヒッグスボソン（DFSZモデル）といった追加の閾値は、axion生成および宇宙論的制約にどのように影響を与えるか？

主な発見

• QCD遷移を滑らかに補間するため、3次スプラインを用いてQCDaxionの熱的生成レートを計算し、不連続性を回避する物理的整合性を確保した。
• KSVZモデルでは、重い色荷を持つフェルミオンの存在により、QCD相転移付近でaxion生成が顕著に増加し、ΔN_effに寄与する。
• DFSZモデルでは、重いヒッグスボソンおよび電弱相転移に起因する追加の閾値が、生成レートおよびΔN_effをさらに変化させる。
• 予測されたΔN_effは、補間手法の変動に対して頑健である：500 MeVにおける生成レートを2倍に変えても、実験的に許容されるaxionの崩壊定数ではΔN_effにほとんど影響がない。
• 将来のCMB-S4調査では、ΔN_eff ≈ 0.02–0.03の1σ感度に達すると予想され、axionの崩壊定数が利用可能範囲内であれば、axion由来の放射能の検出が可能となる。
• 最終的なΔN_effの式は、ニュートリノの非瞬時的脱結合およびエントロピー保存を考慮しており、再結合時のaxionの共動数密度を用いて表されている。