[论文解读] Hydrogen spin oscillations in a background of axions and the 21-cm brightness temperature

Gaetano Lambiase, Sujata Mohanty|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文提出，中性氢在宇宙黑暗时期对轴子的相干发射和吸收可降低其自旋温度，从而解释EDGES观测到的21厘米吸收 dip 异常深的特征。通过类比Jaynes-Cummings模型，表明相干轴子诱导的自旋翻转与 $\Omega \propto 1/f_a$ 成正比，从而实现自旋温度的共振抑制，降至 $T_s \sim 1.68$ K，与EDGES数据一致，该现象源于电弱时期宇宙弦衰变产生的相对论性轴子。

ABSTRACT

The 21-cm line signal arising from the hyperfine interaction in hydrogen has an important role in cosmology and provides a unique method for probing of the universe prior to the star formation era. We propose that the spin flip of Hydrogen by the coherent emission/absorption of axions causes a lowering of their spin temperature and can explain the stronger than expected absorption of 21-cm light reported by the EDGES collaboration. We find the analogy of axion interaction with the two level HI with the Jaynes-Cummings model of a two level atom in a cavity and we derive the spin flip frequency in this formalism and show that the coherent oscillations frequency $Ω\propto 1/f_a$ in contrast with the incoherent transitions between the HI hyperfine levels where the transition rates $\propto 1/f_a^2$. The axion emission and absorption rates are equal but the spin temperature is still lowered due to different selection rules for the spin flip transitions compared to the photon process. We show that the axion process goes in the right direction for explaining the EDGES observation. For this mechanism to work we require a coherent field of relativistic axions with energy $E_ν$ peaked at the 21-cm spin-flip energy. Such a coherent background of relativistic axions can arise from the decay of cosmic strings if the decay takes place in the electroweak era.

研究动机与目标

• 解释标准宇宙学无法预测的EDGES观测到的异常深的21厘米吸收 dip。
• 解决观测亮度温度 ($T_{21} = -500$ mK) 与理论下限 $-209$ mK 在红移 $z \sim 17$ 处的差异。
• 提出一种机制：氢原子超精细能级与相干轴子场相互作用，使自旋温度低于动能温度。
• 表明在相干轴子背景作用下，轴子诱导的自旋翻转过程可主导于非相干光子过程，与先前观点相反。

提出的方法

• 采用Jaynes-Cummings模型，将氢原子视为与相干轴子场相互作用的两能级系统。
• 推导出相干轴子诱导自旋翻转的Rabi类振荡频率 $\Omega \propto 1/f_a$，与非相干衰变速率 $\Gamma \propto 1/f_a^2$ 对比。
• 将轴子背景建模为电弱时期宇宙弦衰变产生的相对论性轴子的相干态。
• 计算轴子动量分布与数密度，表明其具有宽带谱，即使在氢原子速度弥散下仍能维持共振。
• 利用条件 $E_{10} = E_a$ 确保共振吸收/发射，轴子动量可调节以匹配21厘米跃迁能量。
• 计算所得自旋温度并与EDGES观测比较，表明 $T_s \sim 1.68$ K 是可实现的。

实验结果

研究问题

• RQ1 氢原子对轴子的相干发射与吸收能否解释EDGES观测到的深21厘米吸收 dip？
• RQ2 为何轴子诱导的自旋翻转过程虽发射与吸收速率相等，却仍能降低自旋温度，而非相干过程则不能？
• RQ3 来自宇宙弦衰变的相干轴子背景如何实现对氢自旋温度的共振抑制？
• RQ4 所需轴子场强度与相干性为何值，才能使轴子诱导的自旋翻转主导于光子诱导过程？
• RQ5 能否调节轴子质量与衰变常数，使轴子能量匹配21厘米跃迁能量而无需微调？

主要发现

• 相干轴子诱导的自旋翻转频率与 $\Omega \propto 1/f_a$ 成正比，从而实现自旋温度的共振抑制。
• 轴子诱导过程可使自旋温度降低至 $T_s \sim 1.68$ K，与EDGES观测到的 $T_{21} = -500$ mK 一致。
• 该机制有效，因为轴子诱导跃迁仅耦合至三重态的某一线性组合，而光子则耦合至全部三个态，导致净冷却。
• 所需峰值能量 $E_a \sim 5.9 \mu$eV 的相干轴子背景自然源于电弱时期的宇宙弦衰变。
• 宇宙黎明时期轴子数密度为 $n_a \sim 10^{-5}$ eV³，足以主导于光子诱导的自旋翻转。
• 轴子对现今能量密度的贡献为次主导（$\sim 10^{-4}$ 的临界密度），与宇宙学约束一致。