[论文解读] The cold axion populations

S. Chang, C. Hagmann+1 more|ArXiv.org|Dec 10, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文系统分析了宇宙中三种冷轴子的来源：真空重对齐、弦衰变和壁衰变，这些均对宇宙的能密度有贡献。研究发现，若不存在Peccei-Quinn对称性自发破缺后的暴胀，则使宇宙达到临界密度所需的轴子质量约为6 × 10⁻⁶ eV，且存在两种速度弥散度相差约10³倍的冷轴子群体。

ABSTRACT

We give a systematic discussion of the contributions to the cosmological energy density in axions from vacuum realignment, string decay and wall decay. We call these the cold axion populations because their kinetic energy per particle is at all times much less than the ambient temperature. In case there is no inflation after the Peccei-Quinn phase transition, the value of the axion mass for which axions contribute the critical energy density for closure is estimated to be of order $6 \cdot 10^{-6}$ eV, with large uncertainties. It is emphasized that there are two groups of cold axions differing in velocity dispersion by a factor of order $10^3$.

研究动机与目标

• 系统评估三种不同轴子产生机制（真空重对齐、弦衰变和壁衰变）对宇宙能密度的贡献。
• 阐明冷轴子的物理起源与特性，定义为每个粒子的动能远小于周围温度的轴子。
• 在未发生Peccei-Quinn相变后暴胀的条件下，确定使宇宙闭合达到临界密度所需的轴子质量。
• 识别并表征两种在速度弥散度上显著不同的冷轴子群体。
• 对实现宇宙闭合所需的轴子质量提供定量估计，同时考虑宇宙学参数和轴子产生机制的不确定性。

提出的方法

• 建模Peccei-Quinn相变后通过真空重对齐产生的轴子，假设存在错位角分布。
• 分析来自宇宙弦衰变的轴子产生，包括弦网络的动力学及其衰变为轴子的过程。
• 研究具有多个Peccei-Quinn对称性破缺真空态的模型中，畴壁衰变所发射的轴子。
• 利用宇宙演化方程和轴子产生截面，计算每种来源的总轴子能密度。
• 比较不同来源产生的轴子群体的速度弥散度，识别出速度弥散度相差约10³倍的两组群体。
• 利用总轴子能密度和观测约束，估算实现宇宙闭合临界密度所需的轴子质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 真空重对齐、弦衰变和壁衰变对宇宙能密度的轴子总贡献是多少？
• RQ2 不同产生机制产生的轴子群体的速度弥散度如何比较？
• RQ3 若Peccei-Quinn相变后未发生暴胀，则需要多大的轴子质量才能产生宇宙闭合的临界密度？
• RQ4 宇宙学参数的不确定性如何影响对闭合密度所需轴子质量的估计？
• RQ5 在动能和宇宙演化方面，这两种冷轴子群体有何本质区别？

主要发现

• 宇宙中轴子的总能密度主要来自三个来源：真空重对齐、宇宙弦衰变和畴壁衰变。
• 存在两种显著不同的冷轴子群体，其速度弥散度相差约10³倍，表明其动力学起源不同。
• 在无Peccei-Quinn对称性破缺后暴胀的条件下，使宇宙闭合达到临界密度所需的轴子质量估计约为6 × 10⁻⁶ eV。
• 该质量估计存在较大不确定性，源于轴子衰变常数、错位角以及轴子产生时刻哈勃参数的不确定性。
• 在标准情景下，真空重对齐贡献了主导的轴子群体，而弦和壁衰变则贡献了额外且可能显著的成分。
• 本文强调，这三种轴子来源均为非热生成，且在整个宇宙演化过程中保持冷态，因此使用“冷轴子群体”一词是合理的。