[论文解读] Thermal QCD Axions across Thresholds

Francesco D’Eramo, Fazlollah Hajkarim+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 95被引用 4

一句话总结

本文对热QCD轴子在关键宇宙学阈值（如QCD相变、重费米子和希格斯玻色子质量）处的产生进行了平滑、系统的分析，涵盖KSVZ和DFSZ轴子模型。计算了轴子产生的速率及其对有效中微子种类数ΔN_eff的影响，结果对插值细节不敏感，具有强健性，未来CMB-S4巡天有望以高灵敏度探测这些效应。

ABSTRACT

Thermal axion production in the early universe goes through several mass thresholds, and the resulting rate may change dramatically across them. Focusing on the KSVZ and DFSZ frameworks for the invisible QCD axion, we perform a systematic analysis of thermal production across thresholds and provide smooth results for the rate. The QCD phase transition is an obstacle for both classes of models. For the hadronic KSVZ axion, we also deal with production at temperatures around the mass of the heavy-colored fermion charged under the Peccei-Quinn symmetry. Within the DFSZ framework, standard model fermions are charged under this symmetry, and additional thresholds are the heavy Higgs bosons masses and the electroweak phase transition. We investigate the cosmological implications with a specific focus on axion dark radiation quantified by an effective number of neutrino species and explore the discovery reach of future CMB-S4 surveys.

研究动机与目标

• 系统分析早期宇宙中关键质量阈值（包括QCD相变和重粒子阈值）处的热轴子产生。
• 在KSVZ和DFSZ模型中，通过平滑插值跨越QCD交叉点，避免不连续性，计算轴子产生速率。
• 通过有效中微子种类数ΔN_eff量化热产生轴子的宇宙学影响。
• 评估未来CMB-S4巡天探测轴子诱导辐射（超出标准模型）的发现潜力。
• 评估在QCD相变附近因插值方法导致的ΔN_eff理论不确定性的大小。

提出的方法

• 使用三次样条插值，将手征有效场论（ChPT）到强子共振区之间的热产生速率在QCD交叉点处平滑连接。
• 求解轴子数密度演化的玻尔兹曼方程，追踪原初热浴中散射和衰变过程的产生。
• 应用熵守恒方法，通过熵的有效自由度将再结合时轴子共动数密度与ΔN_eff关联。
• 推导出ΔN_eff的一般公式，以再结合时轴子的共动数密度和SM熵自由度表示。
• 评估在约500 MeV附近产生速率变化时，ΔN_eff预测对插值方法的敏感性，检验插值方法的鲁棒性。
• 在KSVZ和DFSZ模型之间进行比较，考虑额外的阈值（如KSVZ中的重色费米子或DFSZ中的重希格斯玻色子和电弱相变）。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD轴子的热产生速率在QCD相变过程中如何变化？跨越此交叉点的最优插值方法是什么？
• RQ2 在KSVZ和DFSZ轴子模型中，热产生轴子对有效中微子种类数ΔN_eff的贡献是多少？
• RQ3 ΔN_eff预测对QCD相变附近产生速率插值不确定性的敏感度如何？
• RQ4 未来CMB-S4巡天探测轴子诱导辐射（超出标准模型）的发现能力如何？
• RQ5 额外的阈值（如KSVZ中的重费米子或DFSZ中的重希格斯玻色子）如何影响轴子产生及宇宙学约束？

主要发现

• 通过三次样条插值在QCD交叉点处实现轴子热产生速率的平滑过渡，确保无不连续性的物理一致性。
• 在KSVZ模型中，由于存在重色费米子，轴子在QCD相变附近产生显著增强，对ΔN_eff有贡献。
• 在DFSZ模型中，重希格斯玻色子和电弱相变的额外阈值进一步改变了产生速率和ΔN_eff。
• 预测的ΔN_eff对插值方法变化具有鲁棒性：在500 MeV处产生速率变化两倍，对实验允许的轴子衰变常数范围，ΔN_eff变化可忽略不计。
• 未来CMB-S4巡天预计可实现ΔN_eff ≈ 0.02–0.03的1σ灵敏度，若轴子衰变常数在可探测范围内，将能探测到轴子诱导辐射。
• 最终的ΔN_eff公式考虑了非瞬时中微子退耦和熵守恒，结果以再结合时轴子的共动数密度表示。