[논문 리뷰] Recurrent Axinovae and their Cosmological Constraints

Patrick J. Fox, Neal Weiner외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 69인용 수 11

한 줄 요약

논문은 axion minihalos에서의 재발성 축아이온 핵폭발(axinovae)을 분석하고, 어둠 물질을 상대론적 축아이온으로의 전환으로 발생할 수 있는 큰 붕괴 분수를 이용해 axion-like particles에 대한 우주론적 경계를 도출한다.

ABSTRACT

Axion-like dark matter whose symmetry breaking occurs after the end of inflation predicts enhanced primordial density fluctuations at small scales. This leads to dense axion minihalos (or miniclusters) forming early in the history of the Universe. Condensation of axions in the minihalos leads to the formation and subsequent growth of axion stars at the cores of these halos. If, like the QCD axion, the axion-like particle has attractive self-interactions there is a maximal mass for these stars, above which the star rapidly shrinks and converts an $\mathcal{O}(1)$ fraction of its mass into unbound relativistic axions. This process would leave a similar (although in principle distinct) signature in cosmological observables as a decaying dark matter fraction, and thus is strongly constrained. We place new limits on the properties of axion-like particles that are independent of their non-gravitational couplings to the standard model.

연구 동기 및 목표

• 포스트-인플레이션 대칭 파괴로 인한 작은 규모의 밀도 증강으로 axion-like 다크 매터를 연구하게 하는 동기를 부여한다.
• 이러한 HALO 내에서 axion minihalos와 코어(axion stars)의 형성 여부를 조사한다.
• axinovae의 재발이 다크 매터를 상대론적 axions로 변환하는 방식과 모델 매개변수에 대한 제약을 평가한다.
• Standard Model 결합에 독립적인 axion 질량과 자기 상호작용에 대한 경계를 도출한다.
• 다른 우주론적 및 천체물리학적 탐침들로부터의 기존 제약과의 비교를 수행한다.

제안 방법

• axion 섭동의 화이트 노이즈 유사 이소커버리지 스펙트럼에 작은 스케일에서 컷오프(k0 ~ Hosc)를 두어 미니해일을 시드로 삼는다.
• NFW 미니하이로 프로파일을 가정하고 중앙 축아이온 스타의 형성, 성장 및 폭발적 붕괴(axinovae)를 계산한다.
• 중력 및 자기상호작용으로부터의 형성 및 성장 시점을 사용해 df_decay/dt를 추정한다.
• 축아이온 자기 결합을 거시적인 축아이온 스타의 최대 질량과 폭발 분수 κ ≈ 0.1과 연관시킨다.
• 물질-복사 평형 이후에 축아이온 스타의 누적 에너지 방출을 다크 매터의 붕괴 분수에 대한 경계로 변환한다(붕괴 DM 제약과 유사).
• 매개변수 공간(ma, fa)과 진동 온도를 탐색하여 제외 영역을 식별한다.

Figure 1: The exclusion region from axinovae for different assumptions for axion parameters, see text for more details. Existing limits from the black hole superradiance are shown in grey. The green region is the most conservative bound using a constant rate of $d{\rm log}M/dt$ at $M_{*}^{\rm max}\l

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포스트-인플레이션 축아이온 섭동이 밀집된 축아이온 미니하이로와 축아이온 스타를 어떻게 생성하는가?
• RQ2 재발하는 axinovae의 속도와 다크 매터 에너지 예산에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 axion 다크 매터의 붕괴에 대한 우주론적 제약에 의해 축아이온 매개변수 공간(ma, fa)의 어느 영역이 제외되는가?
• RQ4 진동 온도 및 축아이온 성장 동력학의 선택이 경계에 어떤 영향을 주는가?
• RQ5 이 경계가 블랙홀 슈퍼회전과 같은 다른 제약과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Axion 미니하이로는 물질-복사 평형 이후의 작은 규모의 증가로 형성되며 중앙 축아이온 스타를 수용한다.
• 축아이온 스타는 최대 질량 M*max에 도달하여 성장하고 폭발(amaxinovae)을 일으켜 질량의 상당 부분을 상대론적 axions로 변환한다.
• 등식 이후 축아이온 스타의 누적 붕괴는 전체 다크 매터 밀도 대비 약 2.62% 미만으로 제약되며, 이는 붕괴 DM 경계(2σ)와 유사하다.
• 붕괴 속도는 ma, fa, 구조 질량 M0(또는 Mpeak) 및 적색편 인 zc에 의존하며, 초기 형성은 경계를 강화한다.
• 서로 다른 성장 모델(상수 d log M/dt 대 비결정적 모델 M ∝ t1/α)이 ma, fa 매개변수 공간에서 보수적에서 강한 제외를 제공한다.
• 도출된 제외 영역은 Fig. 1에 표시되며 axion이 Standard Model 필드에 대한 결합에 의존하지 않고 오직 중력 및 자기 상호작용에만 의존한다.

Figure 2: The exclusion plot of axion parameters from axinovae. The colored region represents the exclusion region assuming the axion star growth $M\propto t^{0.2}$ , where the exclusion is independent of $T_{\rm osc}$ . The gray regions are the existing limits from the black hole superradiance. Das