[논문 리뷰] Early vs late string networks from a minimal QCD Axion

Marco Gorghetto, Edward Hardy외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 최소 QCD 아키온에 대해 인플레이션 양자 변동에 의해 대규모 스케일에서만 페체이-콰이어(PECCI-QUIN) 대칭이 복원되는 새로운 천체물리적 제도를 제안한다. 이는 QCD 전이 이후에 형성되는 아키온 스트링 네트워크의 상호작용을 초래하며, 표준 후인플레이션 시나리오와는 달리, 약 10⁸ GeV 수준의 낮은 붕괴 상수를 가진 아키온 어둠료물질을 가능하게 한다(아키온 질량은 최대 10⁻² eV). 이는 관측된 잔여 밀도를 재현하면서도, 디Sitter 변동과 반경 방향 모드의 과도한 진동에 의해 이끌리는 스트링 역학으로 인해 약 10 M⊙ 크기의 마이크로클러스터를 형성할 수 있다.

ABSTRACT

We propose a new regime of minimal QCD axion dark matter that lies between the pre- and post-inflationary scenarios, such that the Peccei-Quinn (PQ) symmetry is restored only on sufficiently large spatial scales. This leads to a novel cosmological evolution, in which strings and domain walls re-enter the horizon and annihilate later than in the ordinary post-inflationary regime, possibly even after the QCD crossover. Such dynamics can occur if the PQ symmetry is restored by inflationary fluctuations, i.e. the Hubble parameter during inflation $H_I$ is larger than the PQ breaking scale $f_a$, but it is not thermally restored afterwards. Solving the Fokker-Planck equation, we estimate the number of inflationary e-folds required for the PQ symmetry to be, on average, restored. Moreover, we show that, in the large parts of parameter space where the radial mode is displaced from the minimum by de Sitter fluctuations, a string network forms due to the radial mode oscillating over the top of its potential after inflation. In both cases we identify order one ranges in $H_I/f_a$ and in the quartic coupling $\lambda$ of the PQ potential that lead to the late-string dynamics. In this regime the cosmological dark matter abundance can be reproduced for axion decay constants as low as the astrophysical constraint $O(10^8)$ GeV, corresponding to axion masses up to $10^{-2}~{ m eV}$, and with miniclusters with masses as large as $O(10)M_\odot$.

연구 동기 및 목표

• 인플레이션 양자 변동에 의해 대규모 스케일에서만 Peccei-Quinn(PQ) 대칭이 복원되는 최소 QCD 아키온에 대한 새로운 천체물리적 제도를 탐색함으로써, 전인플레이션 및 후인플레이션 시나리오를 연결한다.
• 인플레이션 변동이 아키온 스트링과 도메인 월의 형성 및 상호작용을 QCD 전이 이후로 연기할 수 있는지 조사하며, 표준 후인플레이션 역학에 도전한다.
• 늦은 시기 스트링 역학이 발생하는 매개변수 영역—특히 HI/fa 및 4차 상호작용 상수 λ—을 규명하여, 낮은 붕괴 상수를 가진 타당한 아키온 어둠료물질을 가능하게 한다.
• 인플레이션 이후 반경 방향 모드의 과도한 진동이 스트링 네트워크 형성과 등온도 편미분에 미치는 영향을 평가하고, 그로 인한 마이크로클러스터 질량 분포를 분석한다.

제안 방법

• 대규모 스케일에서 평균적인 PQ 대칭 복원을 위해 필요한 인플레이션 e-폴드 수를 추정하기 위해 Fokker-Planck 방정식을 해결한다.
• 인플레이션 이후 반경 방향 모드의 진화를 확률적 디Sitter 변동을 사용하여 모델링하며, 잠재 에너지 최소점으로의 과도한 진동에 특별한 주의를 기울인다.
• 다양한 초기 조건에 대해 HI/fa 및 λ를 변화시킨 레이디에이션 우주 배경에서 아키온 스트링 네트워크의 형성 및 진화를 필드 이론 시뮬레이션을 통해 시뮬레이션한다.
• 각도 필드 변동의 스펙트럼(1−cosθ)의 파wer 스펙트럼을 분석하여 반경 방향 모드 과도 진동의 징후를 탐지하고, 초수평 스케일에서의 등온도 상관관계 억제를 확인한다.
• 다양한 초기 조건에서의 시뮬레이션된 스트링 네트워크 진화(밀도 ξ 대 log(mρ/H))를 비교하여, 효과적 필드 F에 의존하는 유니버설 스케일링 행동을 식별한다.
• 관측 제약 조건에 맞추어 모델을 제약하기 위해 상관 함수 및 등온도 스펙트럼의 해석적 근사치를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인플레이션 양자 변동이 열적 복원 없이 대규모 스케일에서 PQ 대칭을 복원할 수 있는가? 이는 새로운 유형의 아키온 천체물리학을 가능하게 하는가?
• RQ2 HI/fa와 4차 상호작용 상수 λ의 어떤 범위에서 QCD 전이 이후에 형성되는 아키온 스트링 네트워크가 발생하는가?
• RQ3 인플레이션 이후 반경 방향 모드 과도 진동이 어떻게 스트링 네트워크 형성의 원인이 되며, 등온도 편미분에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 메커니즘은 약 10⁸ GeV 수준의 아키온 붕괴 상수를 가진 경우에도 관측된 어둠료물질 잔여 밀도를 재현할 수 있는가?
• RQ5 최종적으로 형성되는 마이크로클러스터 질량 함수는 무엇이며, 표준 후인플레이션 시나리오와 비교해 어떤가?

주요 결과

• 모델은 일반적으로 후인플레이션 시나리오에서의 하한보다 훨씬 낮은 약 10⁸ GeV 수준의 붕괴 상수를 가진 타당한 아키온 어둠료물질을 허용한다(최대 10⁻² eV의 아키온 질량).
• 1차적인 HI/fa 값과 특정한 4차 상호작용 상수 λ 범위에서 늦은 시기 스트링 형성이 발생하며, 이는 QCD 전이 이후에 스트링 상호작용이 이루어지게 한다.
• 인플레이션 이후 반경 방향 모드 과도 진동은 초기에 잠재 에너지 최소점에 가까운 필드 조건이라도 잠재 에너지 장벽을 넘는 진동을 통해 스트링 네트워크 형성을 유도한다.
• 스트링 네트워크 밀도 ξ는 효과적 필드 F에 따라 유니버설하게 스케일링되며, 이는 역학이 초기 조건이 아닌 평균 필드 값에 따라 결정된다는 것을 보여준다.
• 반경 방향 모드 과도 진동으로 인해 초수평 스케일에서 등온도 편미분이 억제되며, 스펙트럼은 무작위화와 일치하는 k³ 유사 억제를 보인다.
• 늦은 시기 스트링 역학과 증가된 밀도 비균일성으로 인해, 표준 전인플레이션 모델보다 훨씬 큰 약 10 M⊙ 크기의 마이크로클러스터가 형성될 수 있다.