[论文解读] Early vs late string networks from a minimal QCD Axion

Marco Gorghetto, Edward Hardy+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 2

一句话总结

该论文提出了一种最小QCD轴子的新宇宙学范式，其中Peccei-Quinn（PQ）对称性仅通过暴胀量子涨落而在大尺度上恢复，导致轴子弦网络在QCD交叉之后形成并发生湮灭。与标准暴胀后情景不同，该机制允许轴子暗物质的衰变常数低至~10⁸ GeV（轴子质量高达10⁻² eV），在重现观测到的遗迹丰度的同时，由于de Sitter涨落驱动的弦动力学和径向模式过冲，能够形成质量约为10 M⊙的微型星团。

ABSTRACT

We propose a new regime of minimal QCD axion dark matter that lies between the pre- and post-inflationary scenarios, such that the Peccei-Quinn (PQ) symmetry is restored only on sufficiently large spatial scales. This leads to a novel cosmological evolution, in which strings and domain walls re-enter the horizon and annihilate later than in the ordinary post-inflationary regime, possibly even after the QCD crossover. Such dynamics can occur if the PQ symmetry is restored by inflationary fluctuations, i.e. the Hubble parameter during inflation $H_I$ is larger than the PQ breaking scale $f_a$, but it is not thermally restored afterwards. Solving the Fokker-Planck equation, we estimate the number of inflationary e-folds required for the PQ symmetry to be, on average, restored. Moreover, we show that, in the large parts of parameter space where the radial mode is displaced from the minimum by de Sitter fluctuations, a string network forms due to the radial mode oscillating over the top of its potential after inflation. In both cases we identify order one ranges in $H_I/f_a$ and in the quartic coupling $\lambda$ of the PQ potential that lead to the late-string dynamics. In this regime the cosmological dark matter abundance can be reproduced for axion decay constants as low as the astrophysical constraint $O(10^8)$ GeV, corresponding to axion masses up to $10^{-2}~{ m eV}$, and with miniclusters with masses as large as $O(10)M_\odot$.

研究动机与目标

• 探索一种新的最小QCD轴子宇宙学范式，其中PQ对称性仅通过暴胀量子涨落而在大尺度上恢复，弥合暴胀前与暴胀后情景之间的鸿沟。
• 研究暴胀涨落如何将轴子弦和域壁的形成与湮灭延迟至QCD交叉之后，挑战标准暴胀后动力学。
• 确定轴子暗物质可行的参数空间——特别是HI/fa和四次耦合λ——使得晚期弦动力学成为可能，从而实现低衰变常数的轴子暗物质。
• 评估暴胀后径向模式过冲对弦网络形成和等曲率扰动的影响，并评估由此产生的微型星团质量函数。

提出的方法

• 求解Fokker-Planck方程，估算为实现大尺度上PQ对称性平均恢复所需的暴胀e-因子数量。
• 利用随机de Sitter涨落建模暴胀后的径向模式演化，特别关注势能最小值的过冲现象。
• 使用场论模拟在辐射主导背景中模拟轴子弦网络的形成与演化，初始条件针对HI/fa和λ进行多样化设置。
• 通过分析角场涨落（1−cosθ）的功率谱，检测径向模式过冲的特征及其对超 horizon 等曲率关联的抑制效应。
• 比较不同初始条件下模拟的弦网络演化（密度ξ与log(mρ/H)的关系），识别依赖于有效场F的普遍标度行为。
• 使用相关函数和等曲率功率谱的解析近似，将模型约束在观测边界之内。

实验结果

研究问题

• RQ1 暴胀量子涨落能否在无热恢复的情况下于大尺度恢复PQ对称性，从而形成一类新的轴子宇宙学？
• RQ2 HI/fa和四次耦合λ的何种取值范围可导致在QCD交叉之后才形成的轴子弦网络？
• RQ3 暴胀后径向模式过冲如何触发弦网络形成？其对等曲率扰动有何影响？
• RQ4 该机制能否在轴子衰变常数低至~10⁸ GeV的条件下重现观测到的暗物质遗迹丰度？
• RQ5 由此产生的微型星团质量函数为何？与标准暴胀后情景相比有何不同？

主要发现

• 该模型允许可行的轴子暗物质，其衰变常数低至~10⁸ GeV（轴子质量高达10⁻² eV），显著低于典型暴胀后情景的下限。
• 当HI/fa为量级1且四次耦合λ取特定值时，会发生晚期弦形成，使弦在QCD交叉之后发生湮灭。
• 暴胀后径向模式过冲通过在势垒上振荡触发弦网络形成，即使场初始时已接近最小值亦可实现。
• 弦网络密度ξ与有效场F普遍标度，表明动力学取决于场的平均值而非初始条件。
• 由于径向模式过冲，超 horizon 等曲率扰动被抑制，其功率谱呈现类似k³的抑制特征，与随机化一致。
• 可形成质量高达~10 M⊙的微型星团，显著大于标准暴胀前模型中的结果，这是由于晚期弦动力学和密度不均匀性增强所致。