[논문 리뷰] QCD axion bubbles in the presence of ALP resonant conversion

Haijun Li|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 08.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 인플레이션 이후 은닉된 SU(N)H 게이지 상호작용에 의해 동적으로 붕괴되는 추가적인 Peccei-Quinn (PQ) 대칭성에 의해 QCD 아키온 기포가 형성되며, 이로 인해 다중 진공과 비균일한 초기 오차각이 발생함을 제안한다. N=2일 경우, 큰 초기 각도(~2π/3)에서 진동하는 아키온은 고밀도 아키온 기포를 생성하며, 이는 fₐ ~ 10¹⁶ GeV에서 5×10⁵ M☉ 이상의 질량을 가진 초기 블랙홀(PBHs)로 붕괴될 수 있다. 이는 LIGO-Virgo 중력파 사건의 원천이 되거나 초거대 블랙홀의 씨앗이 될 수 있는 잠재적 기원을 제공한다.

ABSTRACT

The QCD axion bubbles can form due to an explicit breaking of the Peccei-Quinn symmetry in the early Universe. In this paper, we investigate the modified formation of QCD axion bubble in the presence of axionlike particle (ALP), considering its resonant conversion to QCD axion. We consider a general scenario where the QCD axion mixes with ALP before the QCD phase transition. In this scenario, the energy density of the ALP can be adiabatic transferred to the QCD axion at a temperature $T_R$, resulting in the suppression of the cosmic background temperature $T_B$ at which the energy density of the QCD axion equals that of the radiation. The QCD axion bubbles form when the QCD axions arise during the QCD phase transition. Finally, we briefly discuss the impact of the formation of QCD axion bubbles on the formation of primordial black holes.

연구 동기 및 목표

• 우주 초기 시기에 인플레이션 이후 은닉된 SU(N)H 게이지 상호작용에 의해 동적으로 붕괴되는 추가 PQ 대칭성에 기인한 QCD 아키온 기포 형성 메커니즘을 탐구하기 위해.
• 특히 다중 진공과 초기 오차각의 역할을 중심으로 고밀도 아키온 기포 형성 조건을 규명하기 위해.
• 특히 초기 블랙홀(PBHs) 형성과 아키온 미니클러스터 형성과 같은 천체물리적 함의를 탐색하기 위해.
• 아키온 암흑물질과 중력파 관측 결과를 고려할 때, 최소 PBH 질량과 비율을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 인플레이션 이후 은닉된 SU(N)H 게이지 역학에 의해 PQ 대칭성 붕괴를 모델링하여 다중 무y한 진공을 유도하기 위해.
• SU(N)H 역학으로부터 효과적 아키온 포텐셜과 질량을 계산하고, 각 진공에서의 초기 오차각 분포를 결정하기 위해.
• QCD 전이를 시뮬레이션하여 아키온이 다양한 초기 필드 값에서 진동하기 시작하며, N=2일 경우 특히 큰 값(~2π/3)을 포함하기 위해.
• 오차각 메커니즘을 적용하여 기포 내 아키온 생성과 에너지 밀도를 계산하고, 아키온이 복사에 의해 지배하는 시점 평가하기 위해.
• 기포 내 복사 지배 조건에 기반한 PBH 형성 기준을 적용하고, 허블 및 엔트로피 밀도 진화를 통해 최소 PBH 질량 유도하기 위해.
• 우주론적 제약 조건과 곡률 편포 스펙트럼을 사용하여 오늘날 PBH 비율 추정하기 위해.

(a) $N=2$ .

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은닉된 SU(N)H 게이지 대칭성 붕괴로 인해 인플레이션 이후 QCD 아키온 기포가 형성되는 조건은 무엇인가요?
• RQ2 은닉된 SU(N)H 군의 색 수 N은 고밀도 아키온 기포 형성에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ3 이 시나리오에서 아키온 기포로부터 형성된 최소 질량의 초기 블랙홀(PBHs)은 얼마이며, 아키온 붕괴 상수 fₐ에 따라 어떻게 달라지나요?
• RQ4 이 메커니즘으로 형성된 PBHs는 관측된 LIGO-Virgo 중력파 사건을 설명할 수 있거나 초거대 블랙홀의 씨앗이 될 수 있나요?
• RQ5 아키온 기포가 PBHs가 아닌 아키온 미니클러스터로 진화하는 조건은 무엇인가요?

주요 결과

• N=2일 경우, SU(2)H 역학에 기인한 비트리비얼한 진공 구조로 인해 초기 오차각이 ~2π/3에 가까운 아키온이 고밀도 아키온 기포를 생성한다.
• N=3일 경우, 초기 오차각이 실질적으로 0이므로 큰장 영역에서의 진동이 불가능하여 아키온 기포가 형성되지 않는다.
• 이 시나리오에서 최소 PBH 질량은 fₐ ~ 10¹⁶ GeV일 때 약 ~5×10⁵ M☉이다.
• fₐ가 클수록 PBH 비율이 증가하며, fₐ ~ 10¹⁷ GeV일 경우 더 높은 값에 도달하여 현재의 LIGO-Virgo 중력파 관측 결과를 설명할 수 있다.
• 기포가 수평 평면에 진입한 후 아키온 복사 지배가 발생하면 기포는 아키온 미니클러스터로 진화할 수 있으나, 이 경우는 현재 분석의 초점이 아니다.
• 모델은 관측 결과와 일치하는 타당한 암흑물질 밀도를 예측하며, 아키온이 기포 내 에너지 밀도를 지배할 때에만 PBH가 형성된다.

(b) $N=3$ .