[论文解读] More axions from diluted domain walls

Keisuke Harigaya, Lian-Tao Wang|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出，当Peccei-Quinn（PQ）对称性自发破缺之后发生一段暴胀时期时，轴子暗物质的丰度可显著提高，因为弦-域壁网络的视界重新进入时间被推迟至强子色动力学（QCD）相变之后。这导致域壁衰变产生更强的轴子，使得轴子衰变常数可低至$10^8$ GeV——远低于传统的$10^{10-12}$ GeV范围——同时仍能匹配观测到的暗物质遗迹密度。

ABSTRACT

We consider the scenario in which the Peccei-Quinn symmetry breaking is followed by a period of inflation. A particularly interesting case is that the string-domain wall network produced by the symmetry breaking enters the horizon after the QCD phase transition. We show that the abundance of axions produced by such a string-domain wall network is counterintuitively much larger than the conventional post-inflationary Peccei-Quinn symmetry breaking scenario. As a result, a scenario with the axion decay constant even as low as the astrophysical bound of about $10^8$ GeV can explain the observed abundance of dark matter. The axion mini-halos produced from the string-domain wall network is much more massive than the conventional scenario. We also briefly discuss models which can realize this scenario such as a Peccei-Quinn phase transition during inflation or a second inflation after a Peccei-Quinn phase transition.

研究动机与目标

• 探讨Peccei-Quinn对称性破缺后经历一段暴胀时期的宇宙学影响。
• 研究在强子色动力学相变之后，弦-域壁网络视界重新进入时间被延迟对轴子产生率的影响。
• 确定在此情景下，轴子暗物质的衰变常数是否可低至$10^8$ GeV，且仍与天体物理观测一致。
• 分析该框架下轴子小星系晕的形成与性质，特别是其质量和可探测性。
• 通过可观测特征（如小星系晕质量与分布）将此机制与其他轴子产生机制区分开来。

提出的方法

• 建模PQ对称性破缺后产生的宇宙弦与域壁的演化，假设存在一段暴胀时期，使它们的共动尺度拉伸至视界之外。
• 计算域壁在暴胀和QCD相变后重新进入视界时坍缩所导致的轴子产生率。
• 采用有效场论方法计算来自域壁衰变的轴子丰度，纳入QCD相变与视界重新进入之间的时间延迟。
• 利用坍缩时间与重新进入红移的标度关系，估算由衰变形成的轴子小星系晕的质量与密度分布。
• 应用来自等曲率扰动与天体物理对轴子衰变常数的约束，以限制可行参数空间。
• 将所得的小星系晕质量谱与脉冲星计时阵列和测光引力透镜等观测探针进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的暴胀后PQ相变情景相比，后PQ暴胀时期如何改变轴子丰度？
• RQ2 将弦-域壁网络的视界重新进入时间推迟至QCD相变之后，对轴子产生率有何影响？
• RQ3 在此情景下，轴子暗物质是否可实现衰变常数低至$10^8$ GeV，且与天体物理约束一致？
• RQ4 与标准轴子产生机制相比，此类轴子小星系晕的性质（特别是其质量和空间分布）有何不同？
• RQ5 哪些可观测特征可将此域壁衰变机制与其他轴子产生机制（如对齐机制或参量共振）区分开来？

主要发现

• 当弦-域壁网络在强子色动力学相变之后重新进入视界时，来自域壁衰变的轴子产生率显著增强，导致轴子丰度远高于传统暴胀后情景。
• 轴子衰变常数可低至$f_a \sim 10^8$ GeV——远低于传统的$10^{10-12}$ GeV范围——同时仍能产生正确的遗迹丰度。
• 此类情景下产生的轴子小星系晕质量近似满足$M_{\rm MH} \propto T_{\rm ent}^3$，导致其质量远大于传统情景。
• 质量$M_{\rm MH} \gtrsim 10^{13} M_\odot$的小星系晕可通过脉冲星计时阵列与测光引力透镜实现探测，构成明确的实证信号。
• 当PQ对称性破缺发生在主要暴胀时期之后时，该情景与现有等曲率扰动约束一致，因为相关模式早已处于视界之外。
• 该机制与其它低$f_a$情景（如动能对齐或大对齐角）不同，因其产生独特的质量谱分布，且无需轻量径向方向或精细调节的初始条件。