[논문 리뷰] More axions from diluted domain walls

Keisuke Harigaya, Lian-Tao Wang|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 Peccei-Quinn (PQ) 대칭성 붕괴 이후에 인플레이션 기간이 발생할 경우, 스트링-도메인 월 네트워크의 시공간 재진입이 QCD 전이 이후로 연기되어, 아키온 암흑물질이 훨씬 더 큰 비율로 생성될 수 있음을 제안한다. 이는 도메인 월 붕괴에서 비롯한 아키온 생성을 증가시키며, 기존의 $10^{10-12}$ GeV 범위보다 훨씬 낮은 $10^8$ GeV 수준의 아키온 붕괴 상수를 허용함으로써 관측된 암흑물질 잔여 밀도와도 일치시킨다.

ABSTRACT

We consider the scenario in which the Peccei-Quinn symmetry breaking is followed by a period of inflation. A particularly interesting case is that the string-domain wall network produced by the symmetry breaking enters the horizon after the QCD phase transition. We show that the abundance of axions produced by such a string-domain wall network is counterintuitively much larger than the conventional post-inflationary Peccei-Quinn symmetry breaking scenario. As a result, a scenario with the axion decay constant even as low as the astrophysical bound of about $10^8$ GeV can explain the observed abundance of dark matter. The axion mini-halos produced from the string-domain wall network is much more massive than the conventional scenario. We also briefly discuss models which can realize this scenario such as a Peccei-Quinn phase transition during inflation or a second inflation after a Peccei-Quinn phase transition.

연구 동기 및 목표

• Peccei-Quinn 대칭성 붕괴 이후 인플레이션 기간이 발생하는 경우의 천체물리적 영향을 탐구한다.
• QCD 전이 이후로 지연된 스트링-도메인 월 네트워크의 시공간 재진입이 아키온 생성에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.
• 이러한 시나리오 하에서 아키온 붕괴 상수가 $10^8$ GeV 수준으로 낮아도 가능한지 확인한다.
• 이 프레임워크 내에서 아키온 마이너할로의 형성 및 특성, 특히 질량과 탐지 가능성에 대해 분석한다.
• 퍼스라 티밍 어레이 및 광학 렌즈링과 같은 관측 가능 서명을 통해 이 메커니즘이 다른 아키온 생성 메커니즘과 어떻게 구별되는지 규명한다.

제안 방법

• PQ 대칭성 붕괴 이후 생성된 우주 스트링과 도메인 월의 진화를 모델링하며, 그들의 공동 크기가 시공간 수준을 초월하도록 인플레이션 기간이 존재한다고 가정한다.
• 인플레이션과 QCD 전이 이후 도메인 월이 시공간에 재진입할 때 붕괴되는 과정을 통해 아키온 생성률을 계산한다.
• 효과적 장 이론 접근법을 사용하여 도메인 월 붕괴에서 기인한 아키온 밀도를 계산하며, QCD 전이와 시공간 재진입 사이의 시간 지연을 포함한다.
• 재진입 적색편이와 관련된 붕괴 시간의 스케일링을 이용하여 아키온 마이너할로의 질량과 밀도 프로파일을 추정한다.
• 등온도 불확실성 및 아키온 붕괴 상수에 대한 천체물리적 제약 조건을 적용하여 타당한 매개변수 공간을 제약한다.
• 결과적으로 도출된 마이너할로 질량 스펙트럼을 퍼스라 티밍 어레이 및 광학 렌즈링과 같은 관측 도구와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후-PQ 인플레이션 주기 동안 아키온 밀도는 전통적인 후-인플레이션 PQ 전이 시나리오와 어떻게 다를까?
• RQ2 스트링-도메인 월 네트워크의 시공간 재진입이 QCD 전이 이후로 지연될 경우 아키온 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이러한 시나리오 하에서 아키온 붕괴 상수가 $10^8$ GeV 수준으로 낮아도 천체물리적 제약 조건과 일치하는가?
• RQ4 이러한 시나리오에서 아키온 마이너할로의 특성—특히 질량과 공간 분포—는 기존의 아키온 생성 메커니즘과 어떻게 다를까?
• RQ5 이 도메인 월 붕괴 메커니즘은 오차보정 또는 공진기 메커니즘과 같은 다른 아키온 생성 메커니즘과 어떻게 관측 서명을 통해 구별될 수 있는가?

주요 결과

• 스트링-도메인 월 네트워크가 QCD 전이 이후로 지연되어 시공간에 재진입할 경우, 도메인 월 붕괴에서 기인한 아키온 생성이 크게 증가하여 기존의 후-인플레이션 시나리오보다 훨씬 더 큰 아키온 밀도를 초래한다.
• 아키온 붕괴 상수는 $f_a \sim 10^8$ GeV 수준까지 낮아질 수 있으며, 이는 기존의 $10^{10-12}$ GeV 범위보다 훨씬 낮지만 여전히 정확한 잔여 밀도를 생성할 수 있다.
• 이 시나리오에서 생성된 아키온 마이너할로의 질량은 약 $M_{\rm MH} \propto T_{\rm ent}^3$ 비례하여 증가하므로, 기존 시나리오보다 훨씬 더 무거운 할로를 형성한다.
• 질량이 $M_{\rm MH} \gtrsim 10^{13} M_\odot$인 마이너할로는 퍼스라 티밍 어레이 및 광학 렌즈링을 통해 탐지 가능할 수 있으며, 이는 결정적인 증거 서명이 될 수 있다.
• PQ 대칭성 붕괴가 주 인플레이션 시기 이후에 발생할 경우, 이 시나리오는 기존의 등온도 제약 조건과도 일치한다. 이는 관련 모드들이 이미 초과시공간 수준이기 때문이다.
• 이 메커니즘은 낮은 $f_a$ 시나리오의 다른 예인 운동 에너지 오차보정 또는 큰 오차보정 각도와는 다르게, 고유한 마이너할로 질량 스펙트럼을 생성하며, 경량의 방향이나 정밀하게 조정된 초기 조건이 필요하지 않다.