[论文解读] Axions in Cold Dark Matter and Inflation Models

Luca Visinelli|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 204被引用 3

一句话总结

本文研究了轴子作为冷暗物质（CDM）候选者，在标准与非标准宇宙学模型中的表现，采用混响机制与弦衰变情景。结果表明，衰变常数接近GUT尺度（$f \sim 10^{16}$ GeV）的轴子可在标准、LTR与凝聚能宇宙学中完全解释CDM，并提出一种暖自然暴胀模型，其中轴子衰变常数被稳定在GUT尺度，与当前CMB数据一致，且抑制引力波产生。

ABSTRACT

The subjects of this thesis are the invisible axion and the more general family of axion-like particles. The invisible axion is a hypothetical elementary particle and a cold dark matter candidate. I present an improved computation of the constraints on the parameter space of the cold dark matter axion in the standard cosmology, that includes the contributions from anharmonicities in the axion potential and from the decay of axionic strings. In this scenario, I update the value of the mass of the cold dark matter axion, finding the value $(67\pm17){ m μeV}$, approximately one order of magnitude larger than previous computations. The effect of nonstandard cosmological scenarios on the parameter space of axion cold dark matter is studied for the first time. In particular, I consider the cases of low-temperature reheating and kination cosmologies, and I show that the mass of the cold dark matter axion can differ from the value in the standard cosmological scenario by orders of magnitude. Finally, I consider the family of axion-like particles, assuming that these particles serve as the inflaton in the context of warm inflation. I find that the axion energy scale $f$, which in the standard inflation scenario is of the order of the Planck mass, can be lowered to the much safer Grand Unification Theory scale $f \sim 10^{16}{ m GeV}$. I also constrain the parameter space and the amount of gravitational waves from this model, using results from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 7-year data.

研究动机与目标

• 评估轴子作为冷暗物质（CDM）主要成分在标准与非标准宇宙学情景下的可行性。
• 探讨非标准宇宙学（如LTR与凝聚能）如何通过混响机制与弦衰变影响轴子的产生。
• 构建并约束一种暖自然暴胀（NWI）模型，其中具有GUT尺度衰变常数（$f \sim 10^{16}$ GeV）的轴子样粒子与观测数据一致。
• 将NWI模型的预测与CMB可观测量（特别是标量谱指数$n_s$与张量-标量比$r$）进行比较，以区分其与标准自然暴胀模型。

提出的方法

• 使用混响机制计算早期宇宙中轴子的产生，通过求解FRW度规下的运动方程，确定振荡温度与能量密度。
• 在慢滚暴胀中应用轴子势$U(\phi) = f^2 \Lambda^2 \left[1 - \cos(\phi/f)\right]$，并在Langevin型方程中引入通过$\Gamma$表示的耗散。
• 推导暖暴胀框架下的慢滚条件与e-折叠数，使用有效势与耗散率$\Gamma \propto \alpha \phi^2$。
• 利用曲率扰动$\mathcal{R}$计算标量与张量功率谱，推导$n_s$与$r$作为$\alpha$与$N_e$的函数。
• 在$r$-$n_s$平面上评估WMAP+BAO+SN数据的约束，使用边界$m_\phi < 2.7 \times 10^{12}$ GeV $(r/0.22)^{1/4} (N_e/60)^{-13/16} (g_*/228.75)^{5/48}$。
• 分析来自弦衰变与畴壁的轴子产生，计算在各种宇宙学模型中轴子构成100% CDM的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过混响机制产生的轴子能否在标准宇宙学中完全解释冷暗物质？所需的轴子衰变常数$f_a$是多少？
• RQ2 非标准宇宙学（如LTR与凝聚能）如何改变轴子CDM的参数空间？对$f_a$与初始混响角$\theta_i$有何约束？
• RQ3 具有GUT尺度（$f \sim 10^{16}$ GeV）轴子样场的暖自然暴胀模型能否与当前CMB观测一致，特别是$n_s$与$r$？
• RQ4 在引力波产生与张量-标量比$r$方面，暖自然暴胀与标准自然暴胀之间存在哪些可观测差异？

主要发现

• 在标准宇宙学中，当轴子衰变常数为$f_a \sim 10^{12}$ GeV且初始混响角$\theta_i \sim 1$时，轴子可完全构成CDM，其参数空间受混响机制约束。
• 在LTR宇宙学中，所需PQ尺度$f_a^{\rm LTR}$相比标准宇宙学有所降低，使得当$T_{\rm RH} \sim 10^9$ GeV时，$f_a \sim 10^{16}$ GeV仍可产生100% CDM。
• 在凝聚能宇宙学中，当$T_{\rm kin} \sim 10^9$ GeV时，$f_a \sim 10^{16}$ GeV的轴子可构成100% CDM，其参数空间取决于再热温度与初始场值。
• 暖自然暴胀（NWI）模型允许轴子衰变常数低至$f \sim 10^{16}$ GeV（即GUT尺度），避免了标准自然暴胀中对普朗克尺度的精细调节。
• 当$f \sim 10^{16}$ GeV时，该模型预测张量-标量比$r \ll 10^{-14}$，可通过未来对$r$的测量与标准自然暴胀区分开来。
• 当$f = 10^{16}$ GeV时，NWI模型与WMAP+BAO+SN数据一致，偏好$N_e \approx 40-50$个e-折叠，$r$与$n_s$的预测位于95%置信水平区域内。