[论文解读] New inflationary probes of axion dark matter

Xingang Chen, JiJi Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2023

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文引入了新的宇宙学观测量——曲率谱与等曲率谱中的相关钟信号，以及同时涉及两种模式的混合非高斯性，以探测暴胀期间的轻轴子。尽管轴子等曲率扰动受到强烈的CMB约束，但这些新颖信号仍可能被观测到，并可独立于张量模式显著约束暴胀的哈勃尺度。

ABSTRACT

If a light axion is present during inflation and becomes part of dark matter afterwards, its quantum fluctuations contribute to dark matter isocurvature. In this article, we introduce a whole new suite of cosmological observables for axion isocurvature, which could help test the presence of axions, as well as its coupling to the inflaton and other heavy spectator fields during inflation such as the radial mode of the Peccei-Quinn field. They include correlated clock signals in the curvature and isocurvature spectra, and mixed cosmological-collider non-Gaussianities involving both curvature and isocurvature fluctuations with shapes and running unconstrained by the current data analyses. Taking into account of the existing strong constraints on axion isocurvature fluctuations from the CMB, these novel signals could still be sizable and potentially observable. In some models, the signals, if observed, could even help us significantly narrow down the range of the inflationary Hubble scale, a crucial parameter difficult to be determined in general, independent of the tensor mode.

研究动机与目标

• 识别超越标准等曲率约束的、对暴胀期间轻轴子敏感的新宇宙学观测量。
• 探讨轴子与暴胀子及重观测场（如PQ场的径向模式）的耦合如何产生新颖且可能可观测的信号。
• 研究曲率与等曲率谱中混合非高斯性及相关钟信号是否可用于检验轴子的存在及其耦合。
• 评估这些信号是否可独立于张量模式测量，约束暴胀的哈勃尺度。
• 评估在现有轴子等曲率扰动CMB约束下，这些信号的可行性。

提出的方法

• 利用宇宙学对撞机物理研究暴胀期间重观测粒子的树图产生，导致原始关联函数中出现非解析的动量与角向依赖性。
• 分析包含曲率与等曲率涨落的三阶及更高阶相关函数（bispectra），重点关注如$icc$与$iii$等混合类型。
• 应用有效场论技术计算圈图诱导的信号，包括规范玻色子与希格斯玻色子圈图，明确进行幂计数与圈积分，适用于$m_A/H \lesssim 10$的情形。
• 通过希格斯-暴胀子或希格斯-轴子混合引入绝热模与等曲率模之间的混合机制，导致非零相关$A_{is}$与混合角$\cos\Delta$。
• 利用$f^{\rm NL}_{\rm NL}$参数与归一化因子估算信号振幅，纳入$\beta \lesssim 0.04$、$m_A/H \lesssim 10$与$\sqrt{\beta}$的缩放因子。
• 考虑同时存在希格斯-暴胀子与希格斯-轴子混合的场景，以减少混合谱信号中的抑制效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过超越标准等曲率约束的新宇宙学观测量探测暴胀期间的轻轴子？
• RQ2 轴子与暴胀子及重观测场的耦合会产生何种类型的非高斯性信号？
• RQ3 曲率与等曲率谱中的钟信号与混合非高斯性如何为轴子物理提供新探测手段？
• RQ4 这些信号在多大程度上可独立于张量模式，约束暴胀的哈勃尺度？
• RQ5 来自$\beta$、$m_A/H$与耦合强度的抑制因子如何影响这些信号的可观测性？

主要发现

• 轴子与暴胀子及重观测场的耦合导致曲率与等曲率谱中出现相关钟信号，构成一类全新的可观测信号。
• 通过规范玻色子与希格斯玻色子圈图产生$icc$与$iii$类型的混合非高斯性，其振幅相对于$ccc$类型抑制约$\mathcal{O}(10^{-2})$，但仍可能被观测到。
• $icc$ bispectrum信号的估计抑制为$\sim \sqrt{\beta} \cdot H / \Lambda_f \cdot u \dot{\phi}_0 / m_A^2$，其中$\beta \lesssim 0.04$且$m_A/H \lesssim 10$。
• 通过圈图效应生成曲率与等曲率模之间的混合两点相关函数$A_{is}$，其表达式为$\cos\Delta \sim A_s H / (4 m_A z) \times e^{\tilde{p}}$，受$m_A^{-2}$高度抑制。
• 当同时存在希格斯-暴胀子与希格斯-轴子混合时，$iii$型bispectrum信号可被增强，抑制因子从$H/m_A$降低，从而提升可观测性。
• 这些信号可显著缩小暴胀哈勃尺度的范围，提供一种独立于张量模式测量的、模型无关的约束。