[논문 리뷰] New inflationary probes of axion dark matter

Xingang Chen, JiJi Fan외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 06.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션 기간 동안 경량 악시온을 탐사하기 위해 곡률 및 등온도 스펙트럼에서의 상관된 시계 신호와 두 모드를 포함하는 혼합 비정규성과 같은 새로운 천체물리적 관측량을 소개한다. 악시온 등온도에 대한 강력한 CMB 제약가 있음에도 불구하고 이러한 새로운 신호들은 여전히 관측 가능할 수 있으며, 탄성 모드 측정과는 독립적으로 인플레이션 허블 스케일을 상당히 제약할 수 있다.

ABSTRACT

If a light axion is present during inflation and becomes part of dark matter afterwards, its quantum fluctuations contribute to dark matter isocurvature. In this article, we introduce a whole new suite of cosmological observables for axion isocurvature, which could help test the presence of axions, as well as its coupling to the inflaton and other heavy spectator fields during inflation such as the radial mode of the Peccei-Quinn field. They include correlated clock signals in the curvature and isocurvature spectra, and mixed cosmological-collider non-Gaussianities involving both curvature and isocurvature fluctuations with shapes and running unconstrained by the current data analyses. Taking into account of the existing strong constraints on axion isocurvature fluctuations from the CMB, these novel signals could still be sizable and potentially observable. In some models, the signals, if observed, could even help us significantly narrow down the range of the inflationary Hubble scale, a crucial parameter difficult to be determined in general, independent of the tensor mode.

연구 동기 및 목표

• 표준 등온도 제약을 넘어서 인플레이션 기간 동안 경량 악시온에 민감한 새로운 천체물리적 관측량을 규명하기 위해.
• 악시온이 인플레이션장 및 무거운 동반장(예: PQ 장의 반경 모드)과 상호작용할 때 새로운, 관측 가능한 신호가 어떻게 생성되는지 탐구하기 위해.
• 곡률 및 등온도 스펙트럼에서의 혼합 비정규성과 상관된 시계 신호가 악시온 존재성과 상호작용를 어떻게 테스트할 수 있는지 조사하기 위해.
• 이러한 신호들이 탄성 모드 측정과는 독립적으로 인플레이션 허블 스케일을 어떻게 제약할 수 있는지 평가하기 위해.
• 기존의 CMB 제약에 따라 악시온 등온도 편차에 대한 이러한 신호들의 실현 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 인플레이션 기간 동안 무거운 동반 입자들의 비가역적 생성을 연구하기 위해 천체물리적 콜라이더 물리학을 활용하여, 초기 스펙트럼 상관관계에서 비해석적 운동량 및 각도 의존성을 생성한다.
• 곡률 및 등온도 변동을 포함하는 삼중 및 고차 상관관계 함수(이스펙트럼)를 분석하며, 주로 $icc$ 및 $iii$ 유형의 혼합 유형에 집중한다.
• 효과적 장 이론 기법을 적용하여 루프 유도된 신호를 계산하며, 게이지 및 힉스 보손 루프를 포함하고, $m_A/H \lesssim 10$ 조건에서 명시적 파워 체킹 및 루프 적분을 수행한다.
• 히iggs-인플레이션장 또는 힉스-악시온 혼합을 통한 조정 모드와 등온도 모드 간의 혼합 메커니즘을 도입하여, 비영이 되는 상관관계 $A_{is}$ 및 혼합 각도 $\cos\Delta$를 유도한다.
• 신호의 크기를 $f^{\rm NL}_{\rm NL}$ 매개변수와 정규화 요소를 사용하여 추정하며, $\beta \lesssim 0.04$, $m_A/H \lesssim 10$, 및 $\sqrt{\beta}$ 스케일링에 따른 억제 요소를 포함한다.
• 히iggs-인플레이션장 및 힉스-악시온 혼합이 모두 존재하는 시나리오를 고려하여 혼합 스펙트럼 신호의 억제를 줄인다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 등온도 제약을 넘어서 새로운 천체물리적 관측량이 인플레이션 중 경량 악시온을 탐지할 수 있는가?
• RQ2 악시온이 인플레이션장 및 무거운 동반장과 상호작용할 때 어떤 유형의 비정규성 신호가 발생하는가?
• RQ3 곡률 및 등온도 스펙트럼에서의 시계 신호와 혼합 비정규성은 악시온 물리학에 대해 어떤 새로운 탐지 수단을 제공하는가?
• RQ4 이러한 신호들이 탄성 모드 측정과는 독립적으로 인플레이션 허블 스케일을 얼마나 잘 제약할 수 있는가?
• RQ5 양성자 $\beta$, $m_A/H$, 및 결합 강도에 기인한 억제 요소들이 이러한 신호의 관측 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 악시온이 인플레이션장 및 무거운 동반장과 상호작용함에 따라 곡률 및 등온도 스펙트럼에서 상관된 시계 신호가 발생하며, 이는 새로운 종류의 관측 가능한 신호를 제공한다.
• 게이지 및 힉스 보손 루프를 통한 $icc$ 및 $iii$ 유형의 혼합 비정규성은 생성되며, $ccc$ 유형 대비 약 $\mathcal{O}(10^{-2})$ 정도로 억제되지만 여전히 관측 가능할 수 있다.
• $icc$ 이스펙트럼 신호는 $\sim \sqrt{\beta} \cdot H / \Lambda_f \cdot u \dot{\phi}_0 / m_A^2$ 정도로 억제되며, $\beta \lesssim 0.04$ 및 $m_A/H \lesssim 10$ 조건을 만족한다.
• 루프 효과를 통해 곡률 및 등온도 모드 간의 혼합된 두점 상관관계 $A_{is}$가 생성되며, $\cos\Delta \sim A_s H / (4 m_A z) \times e^{\tilde{p}}$ 형태로 표현되며, $m_A^{-2}$에 의해 극도로 억제된다.
• 히iggs-인플레이션장 및 힉스-악시온 혼합이 모두 존재할 경우, $iii$-유형 이스펙트럼의 신호가 강화되어 $H/m_A$에 기인한 억제가 감소하고 관측 가능성 향상이 가능하다.
• 이러한 신호들은 인플레이션 허블 스케일의 범위를 상당히 좁힐 수 있으며, 탄성 모드 측정과는 독립적인 모델에 의존하지 않는 제약 조건을 제공한다.