[论文解读] Axion mass in the case of post-inflationary Peccei-Quinn symmetry breaking

Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 1

一句话总结

本文研究了在暴胀后Peccei-Quinn（PQ）对称性恢复并随后破缺的模型中轴子暗物质的产生。分析了真空取向、轴子弦以及弦-壁系统的贡献，发现当NDW = 1时，若轴子质量处于58–150 µeV范围内，轴子可解释全部冷暗物质；然而，近期的模拟表明由于弦和壁的贡献被抑制，轴子质量可能更低，为26.2 ± 3.4 µeV。

ABSTRACT

The axion not only solves the strong CP puzzle, but it also may be the main constituent of cold dark matter. We review the axion dark matter predictions for the case that the Peccei-Quinn symmetry is restored after inflation.

研究动机与目标

• 本文旨在确定在暴胀后PQ对称性破缺情景下轴子暗物质的丰度。
• 研究真空取向、轴子弦以及弦-壁系统对总轴子暗物质密度的相对贡献。
• 评估NDW = 1和NDW > 1的轴子模型的宇宙学可行性，特别关注域壁稳定性和其对暗物质约束的影响。
• 探讨近期场论模拟结果所暗示的轴子质量低于以往预测的含义，挑战了早期的预测。

提出的方法

• 本研究使用有效场论和热场论来模拟早期宇宙中轴子场的动力学。
• 应用轴子场的运动方程：¨θ + 3H(T) ˙θ + χ(T)/fA² sin θ = 0，其中包含温度依赖的哈勃参数和拓扑易失性。
• 利用标度解和基于模拟的参数，估算来自真空取向（VR）、弦辐射（S）和弦-壁坍缩（C）对暗物质的贡献。
• 结合格点QCD结果获取χ(T)，并使用标度行为ρS = ζ µS / t²来建模弦网络的能量密度。
• 评估显式PQ对称性破缺项L ⊃ g Mₚ⁴ (σ/MP)^N + h.c. 的影响，以稳定域壁。
• 将场论模拟结果与宇宙学约束相结合，推导出fA和mA的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在暴胀后PQ对称性破缺中，当真空取向、轴子弦和弦-壁系统全部包含时，轴子暗物质的总丰度是多少？
• RQ2 与仅考虑真空取向相比，轴子弦和弦-壁系统的贡献如何影响预测的轴子质量范围？
• RQ3 为何近期的场论模拟报告了显著更低的轴子质量（26.2 ± 3.4 µeV），而此前的估计为58–150 µeV（NDW = 1）？
• RQ4 NDW > 1的模型存在哪些宇宙学约束？如何避免域壁不稳定？
• RQ5 在NDW = 6的DFSZ模型中，fA ≈ 4.4 × 10⁷ GeV至1 × 10¹⁰ GeV，能否解释暗物质和恒星能量损失的观测迹象？

主要发现

• 当NDW = 1时，轴子暗物质总丰度为Ω_A h² ≈ 1.6⁺¹·⁰₋₀·⁷ × 10⁻² × (fA / 10¹⁰ GeV)^1.165，预测质量范围为58–150 µeV。
• 近期场论模拟表明轴子质量更低，为26.2 ± 3.4 µeV，显著低于早期预测，这是由于弦和壁的贡献被抑制。
• 该模拟将此减少归因于每辐射量子的轴子能量更高（ǫ ≈ 40）以及此前模拟未捕捉到的小尺度动力学。
• 当NDW = 1时，若fA ≈ (3.8–9.9) × 10¹⁰ GeV，则轴子可解释全部冷暗物质，对应mA ≈ (58–150) µeV，但新模拟暗示更窄的可行质量范围。
• 当NDW > 1时，除非引入显式PQ破缺项，否则稳定的域壁在宇宙学上是不可行的；当N = 9或10时，存在可行模型，其中fA在4.4 × 10⁷ GeV至1 × 10¹⁰ GeV之间，mA在0.56 meV至130 (4.5) meV之间。
• 在NDW = 6且mA ≈ 0.56 meV至130 meV的DFSZ轴子模型中，可能同时解释暗物质和观测到的恒星能量损失，尽管直接探测仍具挑战性。