[논문 리뷰] Constraining Ultralight Axions with Galaxy Surveys

Alex Laguë, J. Richard Bond외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 117인용 수 95

한 줄 요약

이 논문은 BOSS 설문의 은하 군집 통계를 사용하여 초경량 악시온 어두운 물질을 제약하고, 계산 비용을 70% 감소시키기 위해 악시온 전달 함수에 대한 빠른 보간 기법을 도입한다. 10⁻²⁵ eV에서 기존 제약보다 4.5배 이상 향상되었고, 10⁻³² eV에서는 2.1배 향상되었으며, 95% 신뢰수준에서 10⁻³¹ eV에서 10⁻²⁶ eV 사이의 악시온 질량에 대해 Ωₐh² < 0.004의 상한을 설정한다. 또한 악시온 혼합으로 인한 은하 이방성 군집 신호와 증가한 선형 편향을 탐지한다.

ABSTRACT

Ultralight axions and other bosons are dark matter candidates present in many high energy physics theories beyond the Standard Model. In particular, the string axiverse postulates the existence of up to $\mathcal{O}(100)$ light scalar bosons constituting the dark sector. Considering a mixture of axions and cold dark matter, we obtain upper bounds for the axion relic density $\Omega_a h^2 < 0.004$ for axions of mass $10^{-31}\;\mathrm{eV}\leq m_a \leq 10^{-26}\;\mathrm{eV}$ at 95% confidence. We also improve existing constraints by a factor of over 4.5 and 2.1 for axion masses of $10^{-25}$ eV and $10^{-32}$ eV, respectively. We use the Fourier-space galaxy clustering statistics from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and demonstrate how galaxy surveys break important degeneracies in the axion parameter space compared to the cosmic microwave background (CMB). We test the validity of the effective field theory of large-scale structure approach to mixed ultralight axion dark matter by making our own mock galaxy catalogs and find an anisotropic ultralight axion signature in the galaxy quadrupole. We also observe an enhancement of the linear galaxy bias from 1.8 to 2.4 when allowing for 5% of the dark matter to be composed of a $10^{-28}$ eV axion in our simulations. Finally, we develop an augmented interpolation scheme allowing a fast computation of the axion contribution to the linear matter power spectrum leading to a 70% reduction of the computational cost for the full Monte Carlo Markov chains analysis.

연구 동기 및 목표

• 바리온 진동 스펙트로스코픽 조사(BOSS)에서 확보한 대규모 은하 군집 데이터를 활용해 초경량 악시온 어두운 물질에 대한 제약을 향상시키기 위해.
• 우주 마이크파동복사(CMB) 데이터만으로는 해결되지 않는 악시온 매개변수 공간의 혼동을 깨뜨리기 위해.
• MCMC 분 析에서의 계산 비용을 줄이기 위해, 선형 물질 스펙트럼 기여에 대한 악시온 전달 함수를 계산하는 데 빠르고 정확한 보간 기법을 개발하기 위해.
• 초경량 악시온이 은하 군집에 미치는 이방성 효과, 특히 은하 스펙트럼의 이차모멘트에서의 영향을 탐지하고 정량화하기 위해.
• 우주론적 시뮬레이션에서 악시온 혼합이 선형 은하 편향과 물질 스펙트럼 억제에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 초경량 악시온으로 인한 ΛCDM의 편차를 탐지하기 위해 BOSS DR12 설문의 푸리에 공간 은하 군집 통계를 활용한다.
• 악시온 비율과 천체물리적 매개변수 간의 상관관계를 보정하기 위해 RegularGridInterpolator를 활용한 보완된 보간 기법을 개발한다.
• 효과적 장이론 접근법의 타당성을 검증하고 은하 이차모멘트에서의 이방성 악시온 신호를 탐지하기 위해 모의 은하 카탈로그(MultiDark-Patchy 및 Peak-Patch)를 활용한다.
• 악시온에 의해 유도된 선형 물질 스펙트럼 억제를 반영한 수정된 선형 은하 편향 모델을 적용한다.
• Class 보틀츠만 코드와 보간된 전달 함수를 조합하여 물질 스펙트럼을 효율적으로 계산함으로써, 직접 axionCAMB 호출 대비 런타임을 70% 감소시킨다.
• CMB 사전정보가 있는지 여부에 따라 전체 몬테카를로 마르코프 체인(MCMC) 분 析를 수행하여 악시온 잔류 밀도와 질량에 대한 견고한 제약을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BOSS와 같은 은하 설문은 CMB 데이터만으로는 제약을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 악시온에 의해 유도된 억제가 은하 군집의 이방성 군집에 어떤 영향을 미치는가? 특히 이차모멘트에서의 영향을 중심으로.
• RQ3 작은 악시온 비율이 우주론적 시뮬레이션에서 선형 은하 편향에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 효율적인 보간 기법은 다양한 천체물리적 매개변수 공간에서 악시온 전달 함수를 정확하게 모델링할 수 있는가? 동시에 계산 비용을 최소화할 수 있는가?
• RQ5 10⁻³¹–10⁻²⁶ eV 범위의 질량에서 악시온 잔류 밀도에 대해 가장 날카로운 상한은 무엇인가?

주요 결과

• 초경량 악시온의 질량이 10⁻³¹ eV에서 10⁻²⁶ eV 사이일 경우, 95% 신뢰수준에서 Ωₐh² < 0.004의 상한을 설정한다.
• 이전 제약보다 10⁻²⁵ eV에서 4.5배 이상, 10⁻³² eV에서는 2.1배 향상된 제약를 확보한다.
• 은하 이차모멘트에서 초경량 악시온으로 인한 이방성 효과가 탐지되었으며, 이는 억제된 물질 스펙트럼으로 인한 속도 수렴 감소로 인한 신호이다.
• 시뮬레이션에서 어두운 물질의 5%가 10⁻²⁸ eV의 악시온일 경우 선형 은하 편향이 1.8에서 2.4로 증가한다.
• 보완된 보간 기법은 Ωₐ/Ωₐ ≤ 0.1 범위에서 백분율 수준의 정확도로 천체물리적 매개변수 공간 전역에서 악시온 전달 함수를 정확히 모델링함으로써 계산 비용을 70% 감소시킨다.
• 낮은 악시온 농도에서 보간 오차가 1% 이하로 유지되어 광범위한 악시온 질량과 비율 범위에서 높은 정확도를 유지한다.