[论文解读] Axion string cosmology and its controversies

Richard A. Battye, E. P. S. Shellard|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 1999

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文研究了暴胀后Peccei-Quinn对称性恢复情景下的轴子弦宇宙学，分析了轴子弦网络的形成及其辐射衰变，以约束轴子质量。在标准假设下，发现轴子质量必须约为100 μeV，且存在显著不确定性，这与较轻质量的主张相矛盾。

ABSTRACT

Understanding axion cosmology has important experimental consequences since it constrains the range of allowed values for the axion mass. In the standard thermal scenario, which assumes Peccei-Quinn symmetry restoration after inflation, an axion string network forms at the phase transition $T\sim\fa$ and then radiatively decays into a cosmological background of axions. Under standard assumptions for the evolution of this string network and the radiation from it, axions must have a mass of $\ma\sim 100μ{ m eV}$ with large specified uncertainties. We discuss critically the various suggestions in the literature that the axion mass migh be lighter.

研究动机与目标

• 评估轴子弦网络在Peccei-Quinn相变期间形成所引发的宇宙学影响。
• 评估标准模型预测的合理性，即轴子质量被约束在~100 μeV，该预测基于弦网络衰变。
• 批判性审视文献中关于轴子质量更轻的主张。
• 阐明宇宙弦辐射在塑造轴子遗迹密度和观测约束中的作用。

提出的方法

• 在Peccei-Quinn相变期间，建模轴子弦网络在临界温度T ≈ fa下的形成过程。
• 将标准宇宙学演化模型应用于弦网络，包括标度行为和辐射发射。
• 计算通过弦网络辐射衰变产生相对论性轴子模所贡献的轴子能量密度。
• 利用标准衰变速率和标度动力学，从观测到的宇宙遗迹丰度推导轴子质量的约束。
• 将理论预测与轴子丰度和暗物质密度的观测限制进行比较。
• 评估质量约束对弦网络演化和辐射效率假设的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暴胀后Peccei-Quinn情景中，基于轴子弦网络的标准衰变，预测的轴子质量是多少？
• RQ2 弦网络动力学中的不确定性如何影响推导出的轴子质量约束？
• RQ3 建议更轻轴子质量的替代模型对宇宙学一致性有何影响？
• RQ4 宇宙弦的辐射衰变在多大程度上决定了观测到的轴子遗迹密度？
• RQ5 在初始条件和衰变机制变化的情况下，100 μeV的轴子质量估计有多稳健？

主要发现

• 在标准假设下，轴子质量被约束在约100 μeV，这些假设涉及轴子弦网络演化和辐射衰变。
• 由于对弦网络标度行为和辐射效率的不确定性，质量估计仍存在较大不确定性。
• 本文挑战了文献中关于轴子质量可显著轻于100 μeV的主张。
• 轴子的宇宙遗迹密度主要由弦网络通过辐射的能量损失决定。
• 该分析支持标准预测，即弦衰变产生的轴子是可行的冷暗物质候选者，其质量约为m_a ~ 100 μeV。
• 与更轻质量预测的差异归因于对弦动力学和衰变速率假设的不一致。