[论文解读] ALP dark matter with non-periodic potentials: parametric resonance, halo formation and gravitational signatures

Aleksandr Chatrchyan, Cem Eröncel+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文研究了具有非周期势的轴子样粒子（ALP）暗物质，其允许大尺度场的非对称性，从而引发高效的参量共振和场的碎片化。通过Floquet分析和格点模拟，结果表明该机制通过球面对称坍缩产生致密的星系晕，可能产生可观测的引力特征——如天体测量引力透镜和微引力透镜效应——这些特征与标准冷暗物质或周期势ALP模型不同。

ABSTRACT

Axion-like particles (ALPs) are leading candidates to explain the dark matter in the universe. Their production via the misalignment mechanism has been extensively studied for cosine potentials characteristic of pseudo-Nambu-Goldstone bosons. In this work we investigate ALPs with non-periodic potentials, which allow for large misalignment of the field from the minimum. As a result, the ALP can match the relic density of dark matter in a large part of the parameter space. Such potentials give rise to self-interactions which can trigger an exponential growth of fluctuations in the ALP field via parametric resonance, leading to the fragmentation of the field. We study these effects with both Floquet analysis and lattice simulations. Using the Press-Schechter formalism, we predict the halo mass function and halo spectrum arising from ALP dark matter. These halos can be dense enough to produce observable gravitational effects such as astrometric lensing, diffraction of gravitational wave signals from black hole mergers, photometric microlensing of highly magnified stars, perturbations of stars in the galactic disk or stellar streams. These effects would provide a probe of dark matter even if it does not couple to the Standard Model. They would not be observable for halos predicted for standard cold dark matter and for ALP dark matter in the standard misalignment mechanism. We determine the relevant regions of parameter space in the (ALP mass, decay constant)-plane and compare predictions in different axion fragmentation models.

研究动机与目标

• 研究在非周期势中通过非对称性机制产生ALP暗物质，该势允许初始场位移较大。
• 研究参量共振在放大场涨落和触发ALP场碎片化中的作用。
• 利用Press-Schechter形式化建模星系晕形成，并预测星系晕质量函数与谱。
• 识别这些致密ALP星系晕的可观测引力特征，这些特征在标准冷暗物质或周期势ALP模型中不存在。
• 绘制未来观测约束下在（ALP质量，衰变常数）平面上的可观测参数空间。

提出的方法

• 使用Floquet分析研究非周期势中涨落的线性增长，识别出 tachyonic 不稳定性。
• 使用基于 LATTICEEASY 的C++代码进行格点模拟，以模拟非线性动力学和场演化。
• 应用Press-Schechter形式化，从密度涨落的功率谱计算星系晕质量函数与谱。
• 通过时间依赖的占据数实现高斯初始条件，以模拟早期宇宙中的量子涨落。
• 通过在较晚时刻关闭自相互作用，强制模拟振子（oscillon）衰变，以模拟物理衰变并提取最终的功率谱。
• 在不同ALP碎片化模型之间比较结果，并验证振子衰变后功率谱的高斯近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 ALP暗物质模型中的非周期势是否能导致显著的参量共振和场碎片化？
• RQ2 具有非周期势的ALP暗物质的星系晕质量函数与谱为何？
• RQ3 这些致密ALP星系晕可能产生哪些引力特征——例如微引力透镜或天体测量引力透镜？
• RQ4 与标准冷暗物质或周期势ALP模型预测的特征相比，这些可观测特征有何不同？
• RQ5 在（ALP质量，衰变常数）平面上，哪些区域会产生ALP星系晕的可观测引力效应？

主要发现

• 非周期势允许大尺度场非对称性，使ALP在广阔参数空间内匹配观测到的暗物质遗迹密度。
• 由tachyonic不稳定性驱动的参量共振导致涨落指数级增长，使ALP场碎片化为致密、振荡的结构。
• 格点模拟证实了涨落的增长，并表明振子衰变后的最终功率谱与高斯近似一致。
• Press-Schechter形式化预测的星系晕质量函数在小尺度上表现出与标准CDM不同的谱，且小尺度功率增强。
• 可观测的引力特征——如光度微引力透镜、天体测量引力透镜以及恒星流的扰动——源于致密ALP星系晕，这些特征在标准CDM或周期势ALP模型中不存在。
• 最有望被观测到的参数空间位于（质量，衰变常数）平面上，其中ALP质量低于∼10−10 eV，衰变常数在1010–1014 GeV范围内。