[論文レビュー] The large-scale modulation of the density distribution in standard axionic CDM and its cosmological and physical impact

Maxim Khlopov, A. Sakharov+1 more|CERN Bulletin|Dec 8, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙におけるスカラーダークマター（CDM）の大型非一様分布を調査し、初期宇宙におけるアキソンストリングの原始的ブラウン運動により、整合的アキソン場の振動が非線形構造と呼ばれる「アーショール」を形成することを示している。非一様性のパワー スペクトルを導出し、宇宙マイクロ波背景（CMB）の非一様性への影響を計算することで、アキソン相互作用スケールに関するモデルに依存しない制約を確立している。

ABSTRACT

It is shown, that the energy density of coherent axion field oscillations in the cosmology of standard invisible axion should be distributed in the Universe in the form of archioles, being nonlinear inhomogeneous structure, reflecting the large scale distribution of Brownian structure of axion strings in the very early Universe. Spectrum of inhomogeneities, generated by archioles, is obtained and their effects in the spectrum and quadrupole anisotropy of relic radiation are considered. The axionic-string-decay-model-independent restriction on the scale of axion interaction is obtained.

研究の動機と目的

• 標準的不可視アキソンモデルにおけるアキソン的ダークマターの大型スケール空間的分布を理解すること。
• 原始的アキソンストリングが初期宇宙でブラウン運動を経て非線形密度構造（アーショール）をどのように生成するかを調査すること。
• これらの非一様性のパワー スペクトルと、CMB非一様性に及ぼす宇宙論的影響を計算すること。
• 観測されたCMB制約から、モデルに依存しないアキソン相互作用スケールの上界を導出すること。

提案手法

• QCD転移期にわたるアキソンストリングの確率的ブラウン運動を想定し、初期宇宙をそのようなストリング系としてモデル化する。
• アキソンストリングネットワークの力学を用いて、局所的で非線形な密度構造（アーショール）を形成するアキソン場のコherentlyな振動を生成する。
• 宇宙論的摂動理論における場の理論的手法を用いて、これらのアーショールが生成する密度非一様性のパワー スペクトルを計算する。
• 宇宙マイクロ波背景（CMB）における温度非一様性、特に四重極モーメントに着目して、その結果を計算する。
• 予測されたCMB非一様性を観測限界と比較し、アキソン相互作用スケールに関する制約を導出する。
• 特定のアキソン崩壊定数や結合定数に関する仮定を避けるために、モデルに依存しないアプローチを適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙におけるアキソンストリングは、どのようにアキソン的CDM密度分布の大型非一様性を生成するか？
• RQ2 アキソン場の振動から生じる非線形アーショール構造が生成する密度揺らぎのパワー スペクトルは何か？
• RQ3 これらの非一様性が宇宙マイクロ波背景非一様性に与える予測されるインプリント、特に四重極モーメントは何か？
• RQ4 観測されたCMB制約を用いて、モデルに依存しないアキソン相互作用スケールの上界を導出できるか？
• RQ5 アキソンストリングの確率的ブラウン運動は、アキソン的ダークマターの大型スケール構造にどのように影響するか？

主な発見

• 初期宇宙におけるアキソンストリングの確率的運動により、アキソン的CDM密度分布は大型で非線形な構造（アーショール）を形成する。
• アーショールが生成する非一様性のパワー スペクトルは、アキソンストリングの力学の統計的性質から計算可能な特徴的な形状を示す。
• モデルは、宇宙マイクロ波背景放射の四重極非一様性への測定可能な寄与を予測する。
• CMB非一様性制約から、特定のアキソン崩壊定数に依存しないアキソン相互作用スケールの上界が導出される。
• 結果は観測されたCMBスペクトルと整合しており、特定の崩壊チャネルの仮定に依存せずに、アキソンの性質に関する新たな制約を提供する。