[论文解读] Constraining Ultralight Axions with Galaxy Surveys

Alex Laguë, J. Richard Bond+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 117被引用 95

一句话总结

本论文利用BOSS巡天的星系聚类统计量对超轻轴子暗物质进行约束，提出一种快速插值方案以计算轴子转移函数，将计算成本降低70%。在10⁻²⁵ eV处，约束改善超过4.5倍；在10⁻³² eV处，改善2.1倍，于95%置信水平下设定轴子质量在10⁻³¹至10⁻²⁶ eV之间的上限为Ωₐh² < 0.004，同时检测到星系四极矩中的各向异性信号以及轴子混合引起的线性偏置增强。

ABSTRACT

Ultralight axions and other bosons are dark matter candidates present in many high energy physics theories beyond the Standard Model. In particular, the string axiverse postulates the existence of up to $\mathcal{O}(100)$ light scalar bosons constituting the dark sector. Considering a mixture of axions and cold dark matter, we obtain upper bounds for the axion relic density $\Omega_a h^2 < 0.004$ for axions of mass $10^{-31}\;\mathrm{eV}\leq m_a \leq 10^{-26}\;\mathrm{eV}$ at 95% confidence. We also improve existing constraints by a factor of over 4.5 and 2.1 for axion masses of $10^{-25}$ eV and $10^{-32}$ eV, respectively. We use the Fourier-space galaxy clustering statistics from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) and demonstrate how galaxy surveys break important degeneracies in the axion parameter space compared to the cosmic microwave background (CMB). We test the validity of the effective field theory of large-scale structure approach to mixed ultralight axion dark matter by making our own mock galaxy catalogs and find an anisotropic ultralight axion signature in the galaxy quadrupole. We also observe an enhancement of the linear galaxy bias from 1.8 to 2.4 when allowing for 5% of the dark matter to be composed of a $10^{-28}$ eV axion in our simulations. Finally, we develop an augmented interpolation scheme allowing a fast computation of the axion contribution to the linear matter power spectrum leading to a 70% reduction of the computational cost for the full Monte Carlo Markov chains analysis.

研究动机与目标

• 利用大尺度星系聚类数据改进对超轻轴子暗物质的约束，数据来自Baryon Oscillation Spectroscopic Survey（BOSS）。
• 打破仅靠宇宙微波背景（CMB）数据无法解决的轴子参数空间中的退化问题。
• 开发一种快速且精确的插值方案，用于计算轴子对线性物质功率谱的贡献，从而在MCMC分析中降低计算成本。
• 检测并量化超轻轴子对星系聚类的各向异性影响，特别是星系功率谱四极矩中的效应。
• 评估轴子混合对宇宙学模拟中线性星系偏置和物质功率谱抑制的影响。

提出的方法

• 利用BOSS DR12巡天的傅里叶空间星系聚类统计量，探测由于超轻轴子引起的ΛCDM偏离。
• 开发一种增强型插值方案，使用RegularGridInterpolator计算轴子转移函数，校正轴子占比与宇宙学参数之间的相关性。
• 利用模拟星系星表（MultiDark-Patchy和Peak-Patch）验证有效场论方法，并在星系四极矩中检测轴子的各向异性信号。
• 应用一种改进的线性星系偏置模型，以考虑轴子引起的线性物质功率谱抑制。
• 将Class玻尔兹曼代码与插值后的转移函数结合，高效计算物质功率谱，相比直接调用axionCAMB，运行时间减少70%。
• 进行完整蒙特卡洛马尔可夫链（MCMC）分析，包含和不包含CMB先验，以获得对轴子遗迹密度和质量的稳健约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅使用CMB数据相比，星系巡天（如BOSS）在多大程度上能改进对超轻轴子暗物质的约束？
• RQ2 轴子引起的抑制效应对星系各向异性聚类有何影响，特别是在四极矩中？
• RQ3 在宇宙学模拟中，当包含少量轴子成分时，线性星系偏置如何变化？
• RQ4 是否能够通过高效插值方案在广泛宇宙学参数空间中准确建模轴子转移函数，同时将计算成本降至最低？
• RQ5 在10⁻³¹–10⁻²⁶ eV质量范围内的轴子遗迹密度，其最紧的上限是什么？

主要发现

• 本研究在95%置信水平下，对质量介于10⁻³¹ eV至10⁻²⁶ eV之间的超轻轴子设定了Ωₐh² < 0.004的上限。
• 与先前限制相比，在10⁻²⁵ eV处约束改善超过4.5倍，在10⁻³² eV处改善2.1倍。
• 在星系四极矩中检测到超轻轴子引起的各向异性效应，其信号源于物质功率谱抑制导致的速度发散减小。
• 在模拟中，当5%的暗物质由10⁻²⁸ eV轴子组成时，线性星系偏置从1.8增加至2.4。
• 增强型插值方案通过在宇宙学参数空间中精确建模轴子转移函数，将计算成本降低70%，在Ωₐ/Ωₐ ≤ 0.1时达到百分级精度。
• 该方法在广泛轴子质量和分数范围内保持高精度，低轴子浓度下插值的相对误差低于1%。