[論文レビュー] Recent Perspectives on Axion Cosmology

Richard A. Battye, E. P. S. Shellard|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 1997

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、初期宇宙におけるストリングネットワーク放射によるaxionの生成を焦点として、axionの宇宙論的制約をレビューしている。理論的予測と観測的制約の両方を統合した結果、100 μeV前後で、大きな不確実性を伴う、実現可能なダークマターaxion質量窓が得られた。これは、1–10 meVの天体物理学的上限と整合的である。一方、より広範で不定な質量範囲を許容する代替宇宙論の可能性についても検討されている。

ABSTRACT

We review current cosmological constraints on the axion. We describe the basic mechanisms by which axions are created in the early universe, focussing on the standard thermal scenario where the dominant process is through axion radiation by a string network. A dark matter axion in this case would have a mass $\ma \sim 100 \microeV$, with specified large uncertainties. This cosmological lower bound leaves a viable window for the axion below the astrophysical upper limit, $\ma \lapp 1-10 \meV$. We also discuss alternative axion cosmologies which allow a much wider, but indefinite, mass range.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における生成メカニズムに基づいてaxion質量の宇宙論的制約を評価すること。
• axionがストリングネットワーク放射によって生成される標準的熱的シナリオを分析すること。
• axionがダークマター候補として実現可能な質量範囲を特定すること。
• axion生成と質量制約を変更する代替axion宇宙論を探索すること。
• 理論的予測と天体物理学的axion質量上昇限界の整合性をとること。

提案手法

• 標準的熱的シナリオにおける宇宙ストリングネットワークからの放射によるaxion生成を分析する。
• 有効場理論と宇宙論的進化モデルを用いてaxion生成率を計算する。
• ストリングネットワークの数値シミュレーションを用いてaxionの生成量とエネルギー密度を推定する。
• 観測されたダークマター密度と宇宙マイクロ波背景放射データからaxion質量の制約を導出する。
• 星の冷却および超新星観測からの天体物理学的限界と結果を比較する。
• axion生成と質量制約を変更する代替宇宙論的モデルを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的熱的シナリオにおけるaxion質量の予測値は何か？
• RQ2 ストリングネットワーク放射によるaxion生成は、axionダークマターとしての実現可能な質量範囲にどのような制約を課えるか？
• RQ3 天体物理学的上昇限界がaxion質量に与える影響は何か？
• RQ4 代替axion宇宙論はaxionの許容可能な質量範囲にどのように影響を与えるか？
• RQ5 予測されたaxion質量は観測されたダークマター密度と整合的か？

主な発見

• 標準的熱的シナリオにおいて、ストリングネットワーク放射によって生成されるaxionは、約100 μeVのダークマターaxion質量をもたらすが、大きな不確実性を伴う。
• この宇宙論的下限は、1–10 meVの天体物理学的上限を超えない実現可能なダークマターaxion窓を残している。
• 本研究では、理論的生成と観測的制約を統合した、axionがダークマターとしての役割を果たす一貫性のある質量範囲を特定した。
• 代替axion宇宙論は、はるかに広範で、不定なaxion質量範囲を許容する。
• 結果は、宇宙論的生成メカニズムから導かれる特定の質量窓内において、axionがダークマター候補として実現可能であることを支持している。
• 本研究は、ストリングネットワークのダイナミクスがaxionの残余密度と質量制約を決定づける重要性を強調している。