[论文解读] QCD axion bubbles in the presence of ALP resonant conversion

Haijun Li|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出，当额外的Peccei-Quinn（PQ）对称性在暴胀后由隐藏的SU(N)H规范相互作用动态地自发破缺时，会形成QCD轴子气泡，导致多个真空态和非均匀的初始错位角。当N=2时，轴子在较大初始角度（~2π/3）下振荡，产生高密度轴子气泡，这些气泡可在fₐ ~ 10¹⁶ GeV时坍缩成质量大于~5×10⁵ M☉的原初黑洞（PBHs），为LIGO-Virgo引力波事件及超大质量黑洞种子提供潜在起源。

ABSTRACT

The QCD axion bubbles can form due to an explicit breaking of the Peccei-Quinn symmetry in the early Universe. In this paper, we investigate the modified formation of QCD axion bubble in the presence of axionlike particle (ALP), considering its resonant conversion to QCD axion. We consider a general scenario where the QCD axion mixes with ALP before the QCD phase transition. In this scenario, the energy density of the ALP can be adiabatic transferred to the QCD axion at a temperature $T_R$, resulting in the suppression of the cosmic background temperature $T_B$ at which the energy density of the QCD axion equals that of the radiation. The QCD axion bubbles form when the QCD axions arise during the QCD phase transition. Finally, we briefly discuss the impact of the formation of QCD axion bubbles on the formation of primordial black holes.

研究动机与目标

• 研究早期宇宙中，通过隐藏SU(N)H规范动力学对额外PQ对称性进行动态破缺，导致QCD轴子气泡形成的机制。
• 确定高密度轴子气泡形成的条件，特别关注多重真空态与初始错位角的作用。
• 探讨宇宙学后果，尤其是原初黑洞（PBHs）与轴子极小簇的形成。
• 在轴子暗物质与引力波观测的背景下，量化原初黑洞的最小质量及其质量分数。

提出的方法

• 通过暴胀后隐藏SU(N)H规范动力学建模PQ对称性破缺，导致多个简并真空态。
• 从SU(N)H动力学计算有效轴子势与质量，确定各真空态上的初始错位角分布。
• 模拟QCD相变过程，其中轴子在不同初始场值下开始振荡，包括N=2时的较大值（~2π/3）。
• 利用错位机制计算轴子产生与气泡内能量密度，评估轴子何时主导辐射。
• 基于气泡内辐射主导的PBH形成条件，结合哈勃参数与熵密度演化，推导最小PBH质量。
• 利用曲率扰动的功率谱与宇宙学约束，估算今日PBH的质量分数。

(a) $N=2$ .

实验结果

研究问题

• RQ1 在暴胀后隐藏SU(N)H规范对称性破缺的条件下，QCD轴子气泡在何种情况下形成？
• RQ2 隐藏SU(N)H群中色数N的大小如何影响高密度轴子气泡的形成？
• RQ3 在此情景下，由轴子气泡形成的原初黑洞（PBHs）的最小质量是多少？其与轴子衰变常数fₐ的关系如何？
• RQ4 该机制形成的PBHs能否解释观测到的LIGO-Virgo引力波事件，或可作为超大质量黑洞的种子？
• RQ5 在何种条件下，轴子气泡会演化为轴子极小簇而非PBHs？

主要发现

• 当N=2时，初始错位角接近~2π/3的轴子由于SU(2)H动力学导致的非平凡真空结构，会生成高密度轴子气泡。
• 当N=3时，不会形成轴子气泡，因为初始错位角实际上为零，无法引发大场振荡。
• 在此情景下，PBH的最小质量约为~5×10⁵ M☉，当轴子衰变常数fₐ ~ 10¹⁶ GeV时。
• PBH的质量分数随fₐ增大而增加，在fₐ ~ 10¹⁷ GeV时达到更高值，可能解释当前LIGO-Virgo引力波观测结果。
• 若轴子辐射主导发生在气泡进入水平面之后，气泡可演化为轴子极小簇，尽管此情形并非当前分析的重点。
• 该模型预测的暗物质丰度与观测一致，且PBH仅在轴子主导气泡内能量密度时才会形成。

(b) $N=3$ .