[논문 리뷰] Hydrogen spin oscillations in a background of axions and the 21-cm brightness temperature

Gaetano Lambiase, Sujata Mohanty|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

논문은 약 1700만 년 전의 어둠의 시대에 수소 원자가 혼합된 약한 상호작용을 통해 중성 수소의 스핀 온도를 낮출 수 있는 충실한 약한 상호작용을 제안한다. 이는 EDGES가 관측한 이상하게 깊은 21cm 흡수 패턴을 설명한다. 제이너스-카밍 모델에 비유함으로써, 혼합된 약한 상호작용에 의해 유도된 스핀 전환이 $\Omega \propto 1/f_a$ 비례함을 보여주며, 이는 스핀 온도를 $T_s \sim 1.68$ K로 공진적으로 낮출 수 있음을 의미한다. 이는 전기약력 시대에 발생한 우주 끈 붕괴로 생성된 상대론적 약한 상호작용 입자에 의해 발생하며, EDGES 관측 결과와 일치한다.

ABSTRACT

The 21-cm line signal arising from the hyperfine interaction in hydrogen has an important role in cosmology and provides a unique method for probing of the universe prior to the star formation era. We propose that the spin flip of Hydrogen by the coherent emission/absorption of axions causes a lowering of their spin temperature and can explain the stronger than expected absorption of 21-cm light reported by the EDGES collaboration. We find the analogy of axion interaction with the two level HI with the Jaynes-Cummings model of a two level atom in a cavity and we derive the spin flip frequency in this formalism and show that the coherent oscillations frequency $Ω\propto 1/f_a$ in contrast with the incoherent transitions between the HI hyperfine levels where the transition rates $\propto 1/f_a^2$. The axion emission and absorption rates are equal but the spin temperature is still lowered due to different selection rules for the spin flip transitions compared to the photon process. We show that the axion process goes in the right direction for explaining the EDGES observation. For this mechanism to work we require a coherent field of relativistic axions with energy $E_ν$ peaked at the 21-cm spin-flip energy. Such a coherent background of relativistic axions can arise from the decay of cosmic strings if the decay takes place in the electroweak era.

연구 동기 및 목표

• 표준 천체역학 이론으로 예측된 것보다 깊은 EDGES가 관측한 이상하게 깊은 21cm 흡수 패턴을 설명하기 위해.
• 자기장 강도 $T_{21} = -500$ mK와 이론적 하한선인 $-209$ mK 사이의 괴리($z \sim 17$에서)를 해결하기 위해.
• 혼합된 약한 상호작용이 수소의 초미세 수준과 상호작용하여 스핀 온도를 운동 온도 이하로 낮추는 메커니즘을 제안하기 위해.
• 이전 주장과는 달리, 혼합된 배경에 의한 약한 상호작용에 의한 스핀 전환이 비혼합된 광자 과정보다 지배적일 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 수소를 두 상태 시스템으로 간주하고, 혼합된 약한 상호작용 필드와의 상호작용을 기술하기 위해 제이너스-카밍 모델을 채택한다.
• 혼합된 약한 상호작용에 의한 스핀 전환 빈도 $\Omega \propto 1/f_a$를 유도하며, 비혼합된 붕괴율 $\Gamma \propto 1/f_a^2$와 대비한다.
• 약한 상호작용 배경을 전기약력 시대에 발생한 우주 끈 붕괴로 생성된 상대론적 약한 상호작용 입자들의 혼합 상태로 모델링한다.
• 약한 상호작용 운동량 분포와 수밀을 계산하여, 수소의 속도 분산에도 불구하고 공진 조건을 유지하는 넓은 대역 스펙트럼임을 보여준다.
• 공진 흡수/방출을 확보하기 위해 조건 $E_{10} = E_a$ 를 사용하며, 약한 상호작용 운동량이 21cm 전이 에너지와 일치하도록 조정된다.
• 결과로 얻어진 스핀 온도를 계산하고 EDGES 관측 결과와 비교하여 $T_s \sim 1.68$ K가 달성 가능함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 혼합된 약한 상호작용이 수소에서의 방출 및 흡수로 인해 EDGES가 관측한 깊은 21cm 흡수 패턴을 설명할 수 있는가?
• RQ2 광자 과정과 달리, 방출과 흡수 확률이 동일한 상황에서 약한 상호작용에 의한 스핀 전환이 스핀 온도를 낮추는 이유는 무엇인가?
• RQ3 우주 끈 붕괴에서 유래한 혼합된 약한 상호작용 배경이 수소 스핀 온도를 어떻게 공진적으로 낮출 수 있는가?
• RQ4 광자에 의한 스핀 전환을 지배하기 위해 필요한 약한 상호작용 필드 강도와 일관성은 무엇인가?
• RQ5 약한 상호작용 질량과 붕괴 상수를 미세 조정 없이도 21cm 전이 에너지와 일치시킬 수 있는가?

주요 결과

• 혼합된 약한 상호작용에 의한 스핀 전환 빈도는 $\Omega \propto 1/f_a$ 비례하며, 이는 스핀 온도의 공진적 저하를 가능하게 한다.
• 약한 상호작용에 의한 과정은 스핀 온도를 $T_s \sim 1.68$ K로 낮추며, EDGES 관측 결과인 $T_{21} = -500$ mK와 일치한다.
• 이 메커니즘이 작동하는 이유는 약한 상호작용 전이가 삼중도 상태의 하나의 선형 조합에만 기여하기 때문이며, 광자는 세 가지 모두에 기여하므로 순수 냉각 효과가 발생한다.
• 최고 에너지 $E_a \sim 5.9 \mu$eV인 혼합된 약한 상호작용 배경은 전기약력 시대에 발생한 우주 끈 붕괴에서 자연스럽게 유도된다.
• 우주의 이른 시기의 약한 상호작용 입자 밀도는 $n_a \sim 10^{-5}$ eV³이며, 이는 광자에 의한 스핀 전환을 지배하기에 충분하다.
• 현 시점에서의 약한 상호작용 기여는 임계 밀도의 약 $\sim 10^{-4}$ 수준으로, 천체역학적 제약 조건과 일치한다.