[论文解读] Axion dark matter from first-order phase transition, and very high energy photons from GRB 221009A

Shota Nakagawa, Fuminobu Takahashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出，早期宇宙中通过一阶相变（FOPT）产生的轴子样粒子（ALPs）可解释暗物质（DM）的增强丰度，从而实现实验探测。FOPT导致大振幅ALP振荡和振子态形成，可通过轴子-光子转换机制解释来自GRB 221009A的高能光子，同时可能产生与NANOGrav暗示一致的引力波。

ABSTRACT

We study an axion-like particle (ALP) that experiences the first-order phase transition with respect to its mass or potential minimum. This can be realized if the ALP obtains a potential from non-perturbative effects of SU($N$) gauge theory that is confined via the first-order phase transition, or if the ALP is trapped in a false vacuum at high temperatures until it starts to oscillate about the true minimum. The resulting ALP abundance is significantly enhanced compared to the standard misalignment mechanism, explaining dark matter in a broader parameter space that is accessible to experiments e.g. IAXO, ALPS-II, and DM-radio. Furthermore, the viable parameter space includes a region of the mass $m_a \simeq 10^{-7} - 10^{-8}$ eV and the ALP-photon coupling $g_{a γγ} \simeq 10^{-11} { m GeV}^{-1}$ that can explain the recent observation of very high energy photons from GRB221009A via axion-photon oscillations. The parameter region suggests that the FOPT can generate the gravitational wave that explains the NANOGrav hint. If the ALP in this region explains dark matter, then the ALP has likely experienced a first-order phase transition.

研究动机与目标

• 解释由于星系际背景光吸收导致预期超出的GRB 221009A高能光子观测结果。
• 识别一种超越标准非对齐机制的轴子样粒子（ALP）暗物质生成可行机制。
• 将ALP通过一阶相变（FOPT）生成与引力波和振子态形成等宇宙学信号联系起来。
• 识别质量约为10⁻⁷–10⁻⁸ eV、耦合常数gₐᵧᵧ ≈ 10⁻¹¹ GeV⁻¹的ALP参数空间，该参数空间可同时解释暗物质与GRB 221009A的观测结果。
• 通过未来实验如IAXO、ALPS-II和DM-radio检验该场景，这些实验可探测预测的ALP参数空间。

提出的方法

• 将ALP势能建模为来自隐藏SU(N)规范理论在发生一阶禁闭相变时的非微扰效应。
• 将ALP视为在高温下被困于虚假真空，当势垒消失时突然开始围绕真真空振荡。
• 使用线性微扰理论计算ALP场涨落的增长率μ(k)，表明由于时间尺度远短于哈勃膨胀，出现指数增长。
• 从FOPT机制推导ALP丰度，显示其在质量跃迁后初始振幅较大时，显著高于标准非对齐机制。
• 将振子态形成作为FOPT情景的关键特征，导致准稳定、高密度的场构型。
• 分析来自FOPT期间振子态形成和气泡碰撞的引力波（GW）谱，评估其在NANOGrav和未来GW实验背景下的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗区中的一阶相变是否足以产生足够多的ALP以解释观测到的暗物质密度？
• RQ2 从GRB 221009A高能光子推断出的ALP-光子耦合与质量参数，是否与通过FOPT生成ALP暗物质相容？
• RQ3 FOPT机制是否产生振子态？其形成是否可通过未来实验如DM-radio或IAXO探测？
• RQ4 FOPT产生的引力波信号是否可解释NANOGrav 15年暗示？其频率与振幅在此情景下如何？
• RQ5 FOPT机制产生的ALP丰度与标准非对齐机制相比在定量上如何？与观测到的DM密度相比如何？

主要发现

• 与标准非对齐机制相比，FOPT机制产生的ALP丰度显著增强，使在更广阔、实验可探测的参数空间内解释暗物质成为可能。
• ALP暗物质的可行参数区域包括mₐ ≈ 10⁻⁷–10⁻⁸ eV 和 gₐᵧᵧ ≈ 10⁻¹¹ GeV⁻¹，该参数与通过轴子-光子振荡解释GRB 221009A高能光子所需值一致。
• 由于场涨落的快速增长，FOPT期间形成振子态，这是二阶相变或标准非对齐情景中不具有的显著特征。
• 振子态形成产生的引力波信号目前尚不足以探测，但气泡碰撞产生的引力波可能在低频段达到峰值，若暗区因ALP产生而冷却，则可能解释NANOGrav 15年暗示。
• 该情景预测：若在图1中青线与绿线之间的参数空间内探测到ALP暗物质，将证实FOPT机制与振子态形成。
• 若同时存在QCD轴子与ALPs，QCD相变期间的能级交叉可进一步增强总暗物质丰度。