[논문 리뷰] Axions in Cold Dark Matter and Inflation Models

Luca Visinelli|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 204인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준 및 비표준 우주론 모델에서 축상입자를 냉각 암흑물질(CDM) 후보로 다루며, 잘못된 정렬 메커니즘과 끈 붕괴 시나리오를 사용한다. 표준, LTR, 그리고 키네이션 우주론에서 축상입자의 분해 상수가 GUT 스케일($f \sim 10^{16}$ GeV)에 가까운 경우, CDM를 완전히 설명할 수 있음을 보여주며, 현재 CMB 데이터와 일치하고 중력파 생성을 억제하는 온난한 자연적 인플레이션 모델을 제안한다.

ABSTRACT

The subjects of this thesis are the invisible axion and the more general family of axion-like particles. The invisible axion is a hypothetical elementary particle and a cold dark matter candidate. I present an improved computation of the constraints on the parameter space of the cold dark matter axion in the standard cosmology, that includes the contributions from anharmonicities in the axion potential and from the decay of axionic strings. In this scenario, I update the value of the mass of the cold dark matter axion, finding the value $(67\pm17){ m μeV}$, approximately one order of magnitude larger than previous computations. The effect of nonstandard cosmological scenarios on the parameter space of axion cold dark matter is studied for the first time. In particular, I consider the cases of low-temperature reheating and kination cosmologies, and I show that the mass of the cold dark matter axion can differ from the value in the standard cosmological scenario by orders of magnitude. Finally, I consider the family of axion-like particles, assuming that these particles serve as the inflaton in the context of warm inflation. I find that the axion energy scale $f$, which in the standard inflation scenario is of the order of the Planck mass, can be lowered to the much safer Grand Unification Theory scale $f \sim 10^{16}{ m GeV}$. I also constrain the parameter space and the amount of gravitational waves from this model, using results from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 7-year data.

연구 동기 및 목표

• 표준 및 비표준 우주론적 상황에서 축상입자가 냉각 암흑물질(CDM)의 주요 성분이 될 수 있는지 평가하기.
• LTR 및 키네이션과 같은 비표준 우주론이 잘못된 정렬 메커니즘과 끈 붕괴를 통한 축상입자 생성에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하기.
• 축상입자 유사 입자가 GUT 스케일의 분해 상수($f \sim 10^{16}$ GeV)를 가진 온난한 자연적 인플레이션(NWI) 모델을 개발하고 관측 데이터와의 일치성을 제약 조건화하기.
• NWI 모델의 예측을 CMB 관측치, 특히 스케일 스펙트럼 지수 $n_s$와 텐서 대 스칼라 비율 $r$와 비교하여 표준 자연적 인플레이션과 구별하기.

제안 방법

• 우주의 초기 단계에서 축상입자 생성을 계산하기 위해 FRW 계량에서 운동 방정식을 해결하여 진동 온도와 에너지 밀도를 결정하는 잘못된 정렬 메커니즘을 사용한다.
• 슬로우롤 인플레이션에서 축상입자 잠재력 $U(\phi) = f^2 \Lambda^2 \left[1 - \cos(\phi/f)\right]$를 적용하고, 랑주에 방정식에 $\Gamma$를 통한 소산을 포함한다.
• 온난한 인플레이션 프레임워크에서 슬로우롤 조건과 에포크 수를 유도하며, 효과적 잠재력과 소산률 $\Gamma \propto \alpha \phi^2$를 사용한다.
• 곡률 편경 $\mathcal{R}$를 사용하여 스칼라 및 텐서 스펙트럼을 계산하고, $\alpha$와 $N_e$의 함수로 $n_s$와 $r$를 유도한다.
• WMAP+BAO+SN 데이터에서 $r$-$n_s$ 평면에 대한 제약 조건을 평가하며, $m_\phi < 2.7 \times 10^{12}$ GeV $(r/0.22)^{1/4} (N_e/60)^{-13/16} (g_*/228.75)^{5/48}$의 경계를 사용한다.
• 끈 붕괴와 도메인 월을 통한 축상입자 생성을 분석하고, 다양한 우주론 모델에서 축상입자가 CDM의 100%를 차지할 수 있는 매개변수 공간을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 우주론에서 잘못된 정렬 메커니즘을 통해 생성된 축상입자가 CDM의 100%를 차지할 수 있는가? 이 경우 필요한 축상입자 분해 상수 $f_a$는 얼마인가?
• RQ2 LTR 및 키네이션과 같은 비표준 우주론은 축상입자 CDM에 대한 매개변수 공간을 어떻게 변화시키며, $f_a$와 初기 잘못된 정렬 각도 $\theta_i$에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 GUT 스케일($f \sim 10^{16}$ GeV)에서 축상입자 유사 입자를 가진 온난한 자연적 인플레이션 모델이 현재의 CMB 관측치, 특히 $n_s$와 $r$와 일치할 수 있는가?
• RQ4 온난한 자연적 인플레이션과 표준 자연적 인플레이션 간의 관측적 차이점은 무엇인가? 특히 중력파 생성과 텐서 대 스칼라 비율 $r$ 측면에서 설명하라.

주요 결과

• 표준 우주론에서 축상입자는 축상입자 분해 상수가 $f_a \sim 10^{12}$ GeV이고 初기 잘못된 정렬 각도 $\theta_i \sim 1$일 경우 CDM의 100%를 차지할 수 있으며, 잘못된 정렬 메커니즘에 의해 매개변수 공간이 제약된다.
• LTR 우주론에서는 표준 우주론에 비해 필요한 PQ 스케일 $f_a^{\rm LTR}$가 감소하여 $T_{\rm RH} \sim 10^9$ GeV일 때 $f_a \sim 10^{16}$ GeV이어도 CDM의 100%를 확보할 수 있다.
• 키네이션 우주론에서는 $T_{\rm kin} \sim 10^9$ GeV일 때 축상입자가 $f_a \sim 10^{16}$ GeV이면 CDM의 100%를 차지할 수 있으며, 매개변수 공간은 재열 온도와 초기 필드 값에 따라 달라진다.
• 온난한 자연적 인플레이션(NWI) 모델은 축상입자 분해 상수를 GUT 스케일인 $f \sim 10^{16}$ GeV까지 낮출 수 있어 표준 자연적 인플레이션의 플랑크 스케일 미세조정 문제를 피할 수 있다.
• 모델은 $f \sim 10^{16}$ GeV일 때 $r \ll 10^{-14}$로 억제된 텐서 대 스칼라 비율을 예측하여, 향후 $r$ 측정을 통해 표준 자연적 인플레이션과 구별할 수 있다.
• 특히 $f = 10^{16}$ GeV일 경우 NWI 모델은 WMAP+BAO+SN 데이터와 일치하며, $N_e \approx 40-50$ 에포크를 선호하며, $r$과 $n_s$ 예측 값은 95% 신뢰수준 영역 내에 위치한다.