[论文解读] Model implementations of axion dark matter from kinetic misalignment

Cem Eröncel, Ryosuke Sato+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出了轴子动能错位机制（KMM）的紫外完备实现，其中轴子通过其径向模式伙伴的动力学获得初始动能，即使在低衰变常数下也能实现暗物质产生。研究识别出通过Yukawa或Higgs门控相互作用实现的热阻尼是模型可行性的关键，表明此类模型可实现QCD轴子作为暗物质，并可被IAXO、MADMAX和ALPS II探测。

ABSTRACT

The axion kinetic misalignment mechanism (KMM) opens the possibility of explaining dark matter for almost any axion mass and decay constant that are not accessible by the standard misalignment mechanism, in particular at low values of the axion decay constant (i.e. large coupling). This is a new opportunity for most axion experiments which could be sensitive to dark matter and probe new regimes of axion cosmology. We scrutinise UV completions that lead to the KMM mechanism. These mainly rely on the early dynamics of the axion partner, the radial mode of the complex scalar field, from which the axion inherits kinetic energy. The damping of the radial-mode energy density is then a necessary ingredient. We study in detail thermal damping from interactions in the plasma. A minimal and rather natural implementation consists of a KSVZ-type model with a nearly-quadratic potential for the radial mode extended by U(1)-breaking higher-dimensional operators. Furthermore, we study Higgs portal interactions as an alternative damping mechanism and improve upon previously proposed implementations based on quartic potentials. These implementations can lead to the QCD axion being dark matter and in the reach of IAXO, while MADMAX, IAXO and ALPS II can be sensitive to a generic Axion-Like-Particle (ALP) as dark matter. Such models typically feature a kination era. We also show that ALP dark matter from KMM points to a particular realization of inflation.

研究动机与目标

• 识别自然实现轴子动能错位机制（KMM）的紫外完备模型，其中轴子通过其径向模式伙伴获得动能。
• 研究早期等离子体中径向模式阻尼——特别是热阻尼——作为成功实现基于KMM的暗物质产生之必要条件的作用。
• 探索Higgs门控相互作用等替代阻尼机制，并改进先前采用四次势能模型的方案。
• 确定在KMM框架下QCD轴子作为暗物质的可行性，并评估其被下一代实验探测的可能性。
• 识别基于KMM的宇宙学特征，如凝聚能时期（kination era）和对暴胀的约束。

提出的方法

• 构建一个具有近似二次势的KSVZ型模型，用于径向模式，并通过U(1)对称性破缺的高维算符扩展，以实现向轴子的初始动能转移。
• 通过早期等离子体中径向模式与轻费米子之间的Yukawa相互作用实现热阻尼，求解能量密度演化的玻尔兹曼方程。
• 通过将径向模式耦合至标准模型Higgs粒子，分析Higgs门控阻尼，计算等离子体中的热阻尼率和自能。
• 利用玻尔兹曼方程的数值解追踪径向模式能量密度和轴子场演化，包括参数共振和碎片化效应。
• 通过轴子能量密度和红移行为计算遗迹丰度，并利用晚期阻尼和场衰变效应约束参数空间。
• 利用IAXO、MADMAX和ALPS II的实验灵敏度曲线，推导出模型参数（如径向质量、耦合常数和高维算符尺度）的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些紫外完备模型能自然地导致轴子暗物质的动能错位机制？
• RQ2 早期等离子体中的热阻尼如何影响基于KMM的暗物质产生的可行性？
• RQ3 QCD轴子能否通过KMM机制实现为暗物质，且可被当前及下一代轴子实验探测？
• RQ4 基于KMM的宇宙学特征（如凝聚能时期或对暴胀动力学的约束）是什么？
• RQ5 在KMM框架中，Higgs门控与Yukawa相互作用作为阻尼机制相比如何？

主要发现

• 一个具有近似二次径向势和U(1)对称性破缺高维算符的最小KSVZ型模型，为KMM机制提供了自然的紫外完备实现。
• 通过Yukawa相互作用实现的热阻尼能有效抑制径向模式能量密度，从而在低衰变常数下仍能实现成功的轴子暗物质产生。
• Higgs门控相互作用提供了一种可行的替代阻尼机制，其约束条件优于先前采用四次势能模型的方案。
• 在KMM框架下，QCD轴子可作为暗物质候选者，其参数空间可被IAXO、MADMAX和ALPS II探测。
• 基于KMM的模型通常具有一个凝聚能时期，可通过宇宙学观测探测，并提供独特信号。
• 来自KMM的轴子暗物质指向特定的暴胀实现方式，对再加热温度和初始场条件施加了约束。