[论文解读] AXIONS IN ASTROPHYSICS AND COSMOLOGY

Georg G. Raffelt|ArXiv.org|Feb 21, 1995

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文综述了恒星和早期宇宙中的轴子产生机制，表明轴子可能解决恒星的能量损失问题并避免宇宙的过度闭合。研究确立了轴子的一个可行质量窗口，约为 10⁻⁵ eV 至 10⁻² eV，该窗口在恒星演化和原初核合成的约束之间达到平衡。

ABSTRACT

If axions exist they are efficiently produced in the hot and dense interior of stars, providing a novel energy-loss mechanism. In order to avoid a conflict with the observed properties of stars, one can derive a lower limit on the Peccei-Quinn scale (an upper limit on the axion mass). In the early universe, axions are produced by the ``misalignment mechanism'' and the emission from global strings as well as the relaxation of the string-domain wall system formed at the QCD phase transition. In order to avoid an ``overclosed universe'' the Peccei-Quinn scale must obey an upper limit (a lower limit on the axion mass). The current values of these bounds are reviewed. There remains a ``window of opportunity'' $10^{-5}\,\eV\lapprox m_a\lapprox 10^{-2}\,\eV$, with large uncertainties on either side, where axions could still exist. [Contribution to the XVth Moriond workshop, 21-28 Jan. 1995, Villars-sur-Ollon, Switzerland.]

研究动机与目标

• 评估轴子辐射对恒星能量损失的影响，并推导出对 Peccei-Quinn 标度的约束。
• 研究早期宇宙中通过非对齐机制和宇宙弦/域壁衰变产生的轴子。
• 确定防止轴子导致宇宙过度闭合的宇宙学约束。
• 基于天体物理学和宇宙学观测，确定轴子存在的可行参数窗口。
• 调和恒星冷却观测与轴子产生及早期宇宙轴子形成之间的关系。

提出的方法

• 通过 Primakoff 效应及其他过程，分析恒星高温致密内部的轴子产生。
• 利用观测到的恒星光度和冷却速率对 Peccei-Quinn 标度施加下限约束。
• 评估在 QCD 相变期间通过非对齐机制产生的轴子。
• 考虑在 QCD 相变期间形成的全局宇宙弦和域壁的贡献。
• 结合原初核合成和宇宙微波背景的约束，对 Peccei-Quinn 标度设定上限。
• 利用轴子产生和能量损失的理论建模，推导出可行的质量窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星能量损失对 Peccei-Quinn 标度和轴子质量施加了何种约束？
• RQ2 早期宇宙中的轴子产生机制如何影响总能量密度？
• RQ3 宇宙弦和域壁在 QCD 相变后对轴子产生有何贡献？
• RQ4 轴子能否避免导致宇宙过度闭合？其丰度的宇宙学界限是什么？
• RQ5 满足天体物理学和宇宙学约束的轴子可行质量窗口是什么？

主要发现

• 恒星中的轴子产生导致能量损失增强，将 Peccei-Quinn 标度约束在某一数值以上，从而转化为对轴子质量的上限。
• 早期宇宙中通过非对齐机制产生的轴子对宇宙能量密度有贡献，需仔细调参以避免过度闭合。
• 宇宙弦和域壁的衰变提供了额外的轴子产生通道，尤其在 QCD 相变期间具有重要意义。
• 恒星冷却和宇宙学的联合约束定义了一个约 10⁻⁵ eV 至 10⁻² eV 的可行轴子质量窗口。
• 该窗口的两侧仍存在较大不确定性，为当前观测极限下轴子的存在留下了空间。
• 本文结论认为，轴子存在一个机会窗口，当前的天体物理学和宇宙学数据尚未对其作出最终排除。