[论文解读] Cosmological production of ultralight dark matter axions

Alberto Díez-Tejedor, David J. E. Marsh|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 12

一句话总结

本文研究了超轻轴子样粒子作为模糊暗物质候选者在宇宙学中的产生，结合了非微扰瞬子势和温度依赖的质量。结果表明，这些效应会延迟场的振荡，增加物质功率谱中的抑制尺度，并将所需的轴子衰变常数降低至 $ f_a \gtrsim 10^{16}\,\text{GeV} $（或在考虑温度依赖质量时为 $ \sim 10^{15}\,\text{GeV} $），同时满足普朗克卫星对等曲率和张量模式的约束。

ABSTRACT

The highly populated, low-energy excitations of a scalar field of mass $m_a\sim 10^{-22}\, extrm{eV}$ can represent the full dark matter content of the universe and alleviate some tensions in the standard cosmological scenario on small-scales. This {\it fuzzy dark matter} component is commonly assumed to arise as the consequence of a new axion-like particle in the matter sector, yet for simplicity it is usually modeled in terms of a simple free quadratic field. In this paper we consider how the cosmological constraints are modified when the effects of an instanton potential and temperature-dependent mass are included. Current isocurvature and tensor bounds confirms that this particle should be formed before the end of a low-scale inflation period with Hubble parameter $H_I\lesssim 2.5 imes 10^{12}\, extrm{GeV}$, in accordance with previous free-field analysis. The axion decay constant, $f_a$, which fixes axion couplings, appears in the instanton potential and determines the relic abundance, the stability of galaxy cores to axion emission, and the direct searches of fuzzy dark matter. If the axion mass is $T$-independent, we find that $f_a\gtrsim 10^{16}\, ext{GeV}$ is required in order to reach the observed relic density without fine tuning the initial conditions, while for a $T$-dependent case this bound can be lowered by an order of magnitude. However, the anharmonicities in the instanton potential, and mainly a $T$-dependent mass, can delay the onset of field oscillations, leading to larger physical suppression scales in the matter power spectrum for a fixed zero-temperature axion mass. This may favor a string or accidental axion over one emerging from a strongly coupled gauge sector if this model is required to provide large galactic halo cores while simultaneously satisfying observational constraints from cosmic structure formation.

研究动机与目标

• 评估非微扰瞬子势与温度依赖轴子质量如何影响超轻轴子暗物质的遗迹丰度。
• 利用普朗克2015年数据对等曲率与张量模式的约束，限制轴子衰变常数 $ f_a $、初始错位角 $ \theta_i $ 与暴胀尺度 $ H_I $。
• 评估这些修正是否改变轴子模型在解释星系晕核结构方面的可行性，同时满足宇宙结构约束。
• 确定在这些精细化动力学下，弦论或偶然轴子模型是否优于强耦合规范场轴子模型。

提出的方法

• 通过 $ m_a \propto T^n $ 和多项式 $ q(x) = 1 - x^p $ 参数化温度依赖质量与振荡起始点，建立轴子势模型。
• 数值求解轴子场 $ \theta $ 的运动方程，包含谐振与非谐振势，积分至 $ t_f = 10 t_{\rm osc} $，以评估能量密度演化。
• 使用非谐振与谐振能量密度之比 $ f_{n_a} = \rho_{\rm anh}/\rho_{\rm har} $ 作为遗迹丰度抑制的代理指标。
• 应用普朗克2015年约束：$ r < 0.168 $ 在95%置信水平，以及 $ \alpha_0 < 0.037 $，通过等曲率与张量功率谱约束 $ H_I $、$ f_a $ 与 $ \theta_i $。
• 推导出暴胀尺度约束 $ H_I < 5.206 \times 10^{14}\,\text{GeV} $，以及来自等曲率限制的更紧约束 $ H_I / (|\theta_i| f_a) < 2.885 \times 10^{-5} $。
• 将物质功率谱中的物理抑制尺度与星系晕核尺寸进行比较，表明在温度依赖质量模型下二者相互解耦。

实验结果

研究问题

• RQ1 非谐振瞬子势与温度依赖轴子质量如何影响早期宇宙中场振荡的起始？
• RQ2 为实现观测到的暗物质遗迹密度且无需精细调节初始条件，所需的最小轴子衰变常数 $ f_a $ 是多少？
• RQ3 普朗克对等曲率与张量模式的约束如何限制暴胀尺度 $ H_I $ 与乘积 $ |\theta_i| f_a $？
• RQ4 轴子质量的温度依赖性在多大程度上使物质功率谱的抑制尺度与零温下的轴子质量解耦？
• RQ5 在包含温度依赖质量与非微扰势的情况下，是否更倾向于支持弦论或偶然轴子模型而非强耦合规范场轴子模型？

主要发现

• 引入温度依赖轴子质量会延迟场振荡的起始，导致振荡时间出现对数发散，从而增加物质功率谱中的物理抑制尺度。
• 对于温度无关的轴子质量，为在不精细调节 $ \theta_i $ 的前提下实现观测到的遗迹密度，需满足 $ f_a \gtrsim 10^{16}\,\text{GeV} $，与先前的自由场分析一致。
• 在温度依赖质量下，所需 $ f_a $ 可降低一个数量级，降至 $ \sim 10^{15}\,\text{GeV} $，这是由于场振荡抑制增强所致。
• 来自等曲率约束的边界为 $ H_I / (|\theta_i| f_a) < 2.885 \times 10^{-5} $，意味着当 $ f_a \sim 10^{16}\,\text{GeV} $ 时，$ H_I \lesssim 2.5 \times 10^{12}\,\text{GeV} $，与低尺度暴胀一致。
• 当引入温度依赖质量效应时，物质功率谱的抑制尺度不再与星系晕核尺寸直接相关，这可能更有利于弦论或偶然轴子模型。
• 该模型与普朗克对张量模式与等曲率扰动的数据保持一致，确认轴子产生必须发生在低尺度暴胀结束之前。