[论文解读] Recent Perspectives on Axion Cosmology

Richard A. Battye, E. P. S. Shellard|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 1997

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文综述了轴子在早期宇宙中通过弦网络辐射产生的宇宙学约束，发现暗物质轴子质量的可行窗口约为~100 μeV，不确定性较大，与天体物理学上限1–10 meV一致；同时探讨了允许更宽广、无限质量范围的替代宇宙学模型。

ABSTRACT

We review current cosmological constraints on the axion. We describe the basic mechanisms by which axions are created in the early universe, focussing on the standard thermal scenario where the dominant process is through axion radiation by a string network. A dark matter axion in this case would have a mass $\ma \sim 100 \microeV$, with specified large uncertainties. This cosmological lower bound leaves a viable window for the axion below the astrophysical upper limit, $\ma \lapp 1-10 \meV$. We also discuss alternative axion cosmologies which allow a much wider, but indefinite, mass range.

研究动机与目标

• 基于早期宇宙的产生机制，评估轴子质量的宇宙学约束。
• 分析轴子通过弦网络辐射产生的标准热力学情景。
• 确定轴子作为暗物质候选者的可行质量范围。
• 探索允许更宽广、无限质量范围的替代轴子宇宙学模型。
• 将理论预测与轴子质量的天体物理学上限相协调。

提出的方法

• 分析在标准热力学情景下，通过宇宙弦网络辐射产生的轴子。
• 应用有效场论和宇宙演化模型，计算轴子产生率。
• 利用弦网络的数值模拟，估算轴子产额和能量密度。
• 从观测到的暗物质密度和宇宙微波背景数据推导轴子质量的约束。
• 将结果与恒星冷却和超新星观测所得的天体物理学限制进行比较。
• 评估修改轴子产生和质量约束的替代宇宙学模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在轴子产生的标准热力学情景中，预测的轴子质量是多少？
• RQ2 通过弦网络辐射产生的轴子如何约束轴子暗物质的可行质量范围？
• RQ3 轴子质量的天体物理学上限对宇宙学模型有何影响？
• RQ4 替代轴子宇宙学如何影响轴子允许的质量范围？
• RQ5 预测的轴子质量与观测到的暗物质密度是否一致？

主要发现

• 在标准热力学情景下，由弦网络辐射产生的轴子，其暗物质轴子质量约为100 μeV，但存在较大不确定性。
• 该宇宙学下限为低于天体物理学上限1–10 meV的轴子暗物质提供了可行窗口。
• 本文识别出轴子作为暗物质的稳定质量范围，协调了理论产生机制与观测约束。
• 替代轴子宇宙学允许更宽广、尽管不确定的轴子质量范围。
• 结果支持在由宇宙学产生机制推导出的特定质量窗口内，轴子作为暗物质候选者的可行性。
• 本研究强调了弦网络动力学在决定轴子遗迹丰度和质量约束中的重要性。