[论文解读] Why is the Dark Axion Mass $10^{-22}$ eV?

Tzihong Chiueh|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出，观测到的约10⁻²² eV的轴子暗物质质量，自然源于一种非QCD轴子机制，涉及自相互作用的轻暗物质粒子和一个在200 GeV以上与标准模型脱耦的无质量规范玻色子。在轴子为暗物质主导且这些暗物质粒子早期脱耦的假设下，该模型预测轴子质量为1–2×10⁻²² eV，衰变常数约为10¹⁶ GeV，暗物质由质量约为92–128 eV的单手费米子组成，可能构成次要暗物质组分。

ABSTRACT

Scalar field dark matter likely is able to solve all small-scale cosmology problems facing the cold dark matter (CDM), and has become an emerging contender to challenge the CDM. It however requires a particle mass $\sim 1 - 2 imes10^{-22}$eV. We find such an extremely small particle mass can naturally arise from a non-QCD axion mechanism, under fairly general assumptions that a few species of self-interacting light particles of comparable masses and a massless gauge boson decouple from the bright sector since the photon temperature exceeds 200 GeV, and the axion is the dominant dark matter. These assumptions also set the axion decay constant scale to several $ imes 10^{16}$ GeV. Given the above axion mass range, we further pin down the dark-sector particles to consist of only one species of fermion and anti-fermion, likely right-handed neutrinos. With a mass around $92-128$ eV, the dark-sector particles may constitute a minority population of dark matter. If the gauge boson lives on SU(2), a dilute instanton gas can contribute about $2.5\%$ of the total relativistic relics in the cosmic microwave background radiation.

研究动机与目标

• 解释观测到的约10⁻²² eV的轴子暗物质质量的起源，该质量是解决冷暗物质模型中小尺度宇宙学问题所必需的。
• 证明在早期宇宙粒子脱耦和暗物质主导的一般假设下，这种极轻的轴子质量可自然地由非QCD轴子机制产生。
• 通过确保与轴子质量及衰变常数预测的一致性，约束暗物质的性质，包括暗物质粒子的质量与统计特性。
• 探讨对暗辐射和可探测信号（如来自稀疏瞬子气体的2.5% CMB相对论性遗迹贡献）的启示。

提出的方法

• 该模型假设轴子是主导暗物质，且若干种自相互作用的轻暗物质粒子连同一个无质量规范玻色子，在光子温度超过200 GeV时从可见物质中脱耦。
• 采用轴子场振荡的冷启动区域，其中振荡在3H = m_a时开始，通过辐射-物质相等时的能量密度匹配推导轴子质量。
• 通过条件推导轴子质量：在T_eq ≈ 0.73 eV时，轴子能量密度与辐射能量密度相等，使用关系式(6/5)(1/2)m_a²f_a²θ₀² = q(T_m/T_eq)³ρ_eq。
• 在暗物质粒子湮灭过程中应用熵守恒，将损失的自由度数（Δg_d）与转化为轴子的能量密度联系起来，得出rg_d ≈ (1/3)Δg_d。
• 通过要求rg_d = O(1)，约束暗费米子内容，得出Δg_d ≈ 2，并将暗费米子识别为右手中微子与左手中微子反粒子，具有两个自由度。
• 计算来自SU(2)规范玻色子的稀疏瞬子气体对暗辐射的贡献，发现其贡献约为CMB总相对论性遗迹的2.5%。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标量场暗物质模型中的轴子质量自然稳定在约10⁻²² eV，而非其他值？
• RQ2 非QCD轴子机制如何在无需微调的情况下产生如此轻的质量标度？
• RQ3 轴子质量与衰变常数对暗物质粒子内容与相互作用施加了何种约束？
• RQ4 自相互作用暗物质粒子的湮灭能否解释观测到的轴子质量并预测可探测的暗辐射？
• RQ5 无质量规范玻色子在生成轴子与贡献暗辐射中扮演何种角色？

主要发现

• 预测轴子质量范围为1–2×10⁻²² eV，与观测结果一致，可解决小尺度宇宙学中的核-晕问题与缺失星系问题。
• 预测轴子衰变常数约为10¹⁶ GeV，源于轴子为暗物质主导且暗物质在200 GeV以上脱耦的要求。
• 暗物质由单手费米子（如右手中微子与左手中微子反粒子）组成，质量为92–128 eV，可能构成次要暗物质组分。
• 该模型预测暗辐射贡献约为CMB总相对论性遗迹的2.5%，源于SU(2)规范玻色子的稀疏瞬子气体。
• 暗物质粒子湮灭导致Δg_d ≈ 2，从而rg_d ≈ 0.6–0.43，与轴子为主要暗物质且暗费米子为两分量费米子一致。
• 若暗费米子为惰性中微子并衰变为活性中微子，该模型预测可探测到约45–65 eV的双光子线。