[论文解读] The large-scale modulation of the density distribution in standard axionic CDM and its cosmological and physical impact

Maxim Khlopov, A. Sakharov+1 more|CERN Bulletin|Dec 8, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了早期宇宙中轴子冷暗物质（CDM）的大尺度非均匀分布，表明轴子弦的原初布朗运动导致轴子场相干振荡，形成非线性结构，称为“archioles”。本文推导了这些非均匀性的功率谱，并计算了其对宇宙微波背景（CMB）各向异性的印记，从而建立了对轴子相互作用尺度的模型无关约束。

ABSTRACT

It is shown, that the energy density of coherent axion field oscillations in the cosmology of standard invisible axion should be distributed in the Universe in the form of archioles, being nonlinear inhomogeneous structure, reflecting the large scale distribution of Brownian structure of axion strings in the very early Universe. Spectrum of inhomogeneities, generated by archioles, is obtained and their effects in the spectrum and quadrupole anisotropy of relic radiation are considered. The axionic-string-decay-model-independent restriction on the scale of axion interaction is obtained.

研究动机与目标

• 理解标准不可见轴子模型中轴子暗物质的大尺度空间分布。
• 研究原初轴子弦如何通过早期宇宙中的布朗运动产生非线性密度结构（archioles）。
• 计算这些非均匀性的功率谱及其对CMB各向异性的宇宙学影响。
• 从观测到的CMB约束中推导出轴子相互作用尺度的模型无关上限。

提出的方法

• 将早期宇宙建模为轴子弦在QCD相变期间经历随机布朗运动的系统。
• 利用轴子弦网络的动力学产生轴子场的相干振荡，形成局域的、非线性的密度结构（archioles）。
• 使用宇宙微扰理论中的场论方法，计算由这些archioles产生的密度非均匀性的功率谱。
• 计算由此产生的宇宙微波背景（CMB）温度各向异性，重点关注四极矩。
• 将预测的CMB各向异性与观测限制进行比较，以推导出对轴子相互作用尺度的约束。
• 采用模型无关的方法，避免对特定轴子衰变常数或耦合的假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初宇宙中的轴子弦如何导致轴子CDM密度分布的大尺度非均匀性？
• RQ2 由轴子场振荡形成的非线性archiole结构所产生的密度涨落的功率谱是什么？
• RQ3 这些非均匀性对宇宙微波背景各向异性的预测印记是什么，特别是四极矩？
• RQ4 是否可以利用观测到的CMB约束推导出轴子相互作用尺度的模型无关上限？
• RQ5 轴子弦的随机布朗运动如何影响轴子暗物质的大尺度结构？

主要发现

• 由于早期宇宙中轴子弦的随机运动，轴子CDM密度分布形成了大尺度的非线性结构，称为archioles。
• 由archioles产生的非均匀性功率谱表现出可由轴子弦动力学统计特性计算出的特征形状。
• 该模型预测对宇宙微波背景辐射四极矩各向异性的可测量贡献。
• 从CMB各向异性约束中推导出轴子相互作用尺度的模型无关上限，且不依赖于特定的轴子衰变常数。
• 结果与观测到的CMB谱一致，并在不依赖特定衰变通道假设的前提下，为轴子性质提供了新约束。