[論文レビュー] QCD axion bubbles in the presence of ALP resonant conversion

Haijun Li|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、インフレーション後に隠れたSU(N)Hゲージ相互作用によって動的に破れる余剰なPeccei-Quinn (PQ)対称性が、複数の真空状態と非一様な初期ミスアライメント角を生じさせ、QCDアクシオンの気泡が形成されることを提案している。N=2の場合、大きな初期角（~2π/3）で振動するアクシオンは、高密度のアクシオン気泡を生成し、fₐ ~ 10¹⁶ GeVで5×10⁵ M☉以上の質量をもつ原始ブラックホール（PBH）に崩壊する可能性がある。これは、LIGO-Virgoの重力波イベントや超大質量ブラックホールの種の起源としての可能性を示唆する。

ABSTRACT

The QCD axion bubbles can form due to an explicit breaking of the Peccei-Quinn symmetry in the early Universe. In this paper, we investigate the modified formation of QCD axion bubble in the presence of axionlike particle (ALP), considering its resonant conversion to QCD axion. We consider a general scenario where the QCD axion mixes with ALP before the QCD phase transition. In this scenario, the energy density of the ALP can be adiabatic transferred to the QCD axion at a temperature $T_R$, resulting in the suppression of the cosmic background temperature $T_B$ at which the energy density of the QCD axion equals that of the radiation. The QCD axion bubbles form when the QCD axions arise during the QCD phase transition. Finally, we briefly discuss the impact of the formation of QCD axion bubbles on the formation of primordial black holes.

研究の動機と目的

• インフレーション後に隠れたSU(N)Hゲージ相互作用によって動的に破れる余剰なPQ対称性から生じるQCDアクシオン気泡の形成を調査すること。
• 特に複数の真空状態と初期ミスアライメント角の役割に注目し、高密度アクシオン気泡が形成される条件を特定すること。
• 特に原始ブラックホール（PBH）の形成とアクシオンミニクラスタの形成を含む、宇宙論的影響を調査すること。
• アクシオンダークマターと重力波観測の文脈において、最小PBH質量とその質量関数的割合を定量化すること。

提案手法

• インフレーション後に隠れたSU(N)HゲージダイナミクスによるPQ対称性の破れをモデル化し、複数のdegenerateな真空状態を導出する。
• SU(N)Hダイナミクスから有効アクシオンポテンシャルと質量を計算し、各真空における初期ミスアライメント角の分布を特定する。
• QCD相転移をシミュレートし、アクシオンが異なる初期場値（N=2では~2π/3の大きな値を含む）で振動し始める状況を再現する。
• ミスアライメント機構を用いてアクシオン生成と気泡内エネルギー密度を計算し、アクシオンが放射優勢状態に達するタイミングを評価する。
• 気泡内での放射優勢状態に基づくPBH形成基準を適用し、ハッブル定数とエントロピー密度の時間発展を用いて最小PBH質量を導出する。
• 曲率摂動のパワースペクトルと宇宙論的制約を用いて、今日のPBHの質量関数的割合を推定する。

(a) $N=2$ .

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 インフレーション後に隠れたSU(N)Hゲージ対称性の破れによって、QCDアクシオン気泡が形成される条件は何か？
• RQ2 隠れたSU(N)H群の色数Nは、高密度アクシオン気泡の形成にどのように影響するか？
• RQ3 このシナリオにおいて、アクシオン気泡から形成される原始ブラックホール（PBH）の最小質量は何か？また、アクシオン崩壊定数fₐに依存するか？
• RQ4 このメカニズムで形成されたPBHは、観測されたLIGO-Virgoの重力波イベントを説明できるか、あるいは超大質量ブラックホールの種として機能できるか？
• RQ5 アクシオン気泡がPBHではなくアクシオンミニクラスタに進化する条件は何か？

主な発見

• N=2の場合、SU(2)Hダイナミクスに起因する非自明な真空構造により、初期ミスアライメント角が~2π/3に近いアクシオンが高密度アクシオン気泡を生成する。
• N=3の場合、初期ミスアライメント角が実質的にゼロであるため、大場面振動が生じず、アクシオン気泡は形成されない。
• このシナリオにおける最小PBH質量は、fₐ ~ 10¹⁶ GeVのとき約5×10⁵ M☉である。
• fₐが大きいほどPBHの質量関数的割合が増加し、fₐ ~ 10¹⁷ GeVではより高い値に達する。これは、現在のLIGO-Virgo重力波観測を説明する可能性を示唆する。
• 気泡が水平面に入るとアクシオン放射優勢状態が成立する場合、気泡はアクシオンミニクラスタに進化する可能性があるが、本分析の焦点ではない。
• このモデルは観測と整合する妥当なダークマター密度を予測しており、アクシオンが気泡内でのエネルギー密度を支配する場合にのみPBHが形成される。

(b) $N=3$ .