New cosmological bounds on hot relics: Axions $\&$ Neutrinos
如果在自然界中实现，轴子可以在早期宇宙中通过热过程大量产生，有助于热遗迹的质量-能量密度。根据最近的宇宙学观测，我们分析了两个不同的热过程中的一个现实的混合热暗物质的情况下，其中也包括大量的中微子。考虑到轴子-胶子热化通道，我们导出了热遗迹质量$m_a < 7.46$ eV和$\sum m_ν< 0.114$ eV的最大限制边界，它们都是在95% CL;在研究轴子-π介子散射时，在不假设轴子-π介子相互作用的任何特定模型和保持手征微扰理论的有效范围内，我们的最大约束边界改进为$m_a<0.91$ eV和$\sum m_ν< 0.105$ eV，两者均为95% CL。有趣的是，在这两种情况下，中微子的总质量都非常接近中微子质量排序的预测。如果未来的地球双β衰变和/或长基线中微子实验发现自然质量排序是颠倒的，这可能会排除目前允许的热轴子窗口的广泛区域。因此，我们的研究结果强烈支持多信使搜索的轴子和中微子的属性，连同他们的预期灵敏度的联合分析。
2021-05-26 astro-ph.CO hep-ph
Hot Axions and the $H_0$ tension
涉及重轻子的热浴粒子的散射和衰变过程可以将热轴子倾倒在QCD相变附近的原始等离子体中。我们计算它们的残余密度，参数化的额外中微子的有效数量$ΔN_{\rm eff}$。对于电流边界所允许的耦合，通过散射产生的结果分别是μ子和τ子的$ΔN_{\rm eff} \lesssim 0.6$和$ΔN_{\rm eff} \lesssim 0.2$。味破坏τ衰变到一个较轻的轻子加上一个轴子，给出$ΔN_{\rm eff} \lesssim 0.3$。这样的$ΔN_{\rm eff}$值可以缓解哈勃常数$H_0$的直接本地测量值和从宇宙微波背景观测中推断的值之间的紧张关系，假设$Λ$ CDM。我们分析了普朗克合作组和重子声学振荡的现有宇宙学数据，并给出了轴子-轻子耦合的先验。对于耦合到μ子的轴子，张力可以在3 $σ$能级以下得到缓解。未来的实验将以更高的精度测量$ΔN_{\rm eff}$，提供一个轴子发现通道，并探索热轴子在$H_0$张力中的作用。
2018-12-03 astro-ph.CO hep-ph
Breakdown of chiral perturbation theory for the axion hot dark matter bound
我们表明，通常采用的热暗物质（HDM）的轴子质量$m_a \lesssim$ 1 eV的约束是不可靠的，因为它是通过外推的手征膨胀的区域中的有效场论故障。这是明确显示，通过计算的轴子π热化率在下一个领先的手征微扰理论。最后，我们提出了一种通过格点量子色动力学技术来提取轴子HDM束缚的方法。
2021-05-21 astro-ph.CO hep-lat hep-ph
Dark Matter Axions Revisited
我们研究的理论参数的具体值的轴子可以形成整体的冷暗物质。我们检查允许的轴子参数区域的光最近收集的数据由WMAP 5任务加上重子声学振荡和超新星，并假设一个暴胀的情况和标准宇宙学。如果在暴胀之后恢复佩切-奎因对称性，我们就恢复了轴子质量和密度之间的通常关系，因此轴子质量$m_a =67\pm2{\rm μeV}$使轴子成为100%的冷暗物质。如果Peccei-Quinn对称性在暴胀过程中被破坏，那么轴子可以是$m_a < 15{\rm meV}$的冷暗物质的100%，只要初始失准角$θ_i$的特定值被选择为与其质量$m_a$的给定值相对应。大的Peccei-Quinn对称性破缺标度值对应于小的，可能是令人不舒服的小的初始失准角$θ_i$值。
2009-10-20 astro-ph.CO hep-ph
The QCD Axion: Some Like It Hot
本研究通过幺正化手征微扰论和π散射数据比较QCD轴子分布，结合宇宙学观测得出轴子质量上限0.16 eV，比先前界限强30%，并展望未来调查。
2024-12-16 astro-ph.CO hep-ph
The Hot and Cold Spots in Five-Year WMAP Data
我们提出了一个广泛的频率论分析的一点统计（数量，平均值，方差，偏度和峰度）和两点关联函数确定的局部极值的宇宙微波背景温度场观察五年的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的数据。应用一点统计的假设检验表明，在所有频段的WMAP数据的热点和冷点的低方差。在95%C. L.条件下，观测与最佳拟合宇宙学模型的高斯模拟的一致性被拒绝。在WMAP KQ 75掩模和银河系和黄道坐标系中的北半球之外。我们证明，这是不可能的，剩余的银河前景排放有助于观察到的非高斯性。然而，高通滤波器的应用，消除了大的角尺度功率确实提高了与最佳拟合宇宙学模型的一致性。计算了温度对乘积（T-T）和空间对计数（P-P）的局部极值的两点关联函数。T-T观测结果表明，在20度以下的尺度上存在弱相关性，并且一旦将各种温度阈值应用于KQ 75掩模和北方天空分区确定的极值，则完全低于较低的3-sigma置信区域。P-P相关结构对应于温度极值的聚类特性，并提供证据表明，它是大的角尺度结构，其一些不寻常的属性，是密切相关的热点和冷点在WMAP的五年数据中观察到的属性。
2009-03-25 astro-ph.CO
Future cosmological sensitivity for hot dark matter axions
我们研究了未来的潜力，大容量的测光调查，以限制在热暗物质限制的轴子质量$m_a$。未来的调查，如欧几里德将有显着更大的约束力比目前的观测热暗物质。尽管如此，最低可达的轴子质量受到以下事实的限制，即比$\sim 0.15$ eV轻的轴子在QCD时期之前去耦，这里假设发生在$T_{\rm QCD} \sim 170$ MeV的温度下;这使得轴子人口密度如此之低，以至于其后期宇宙学影响可以忽略不计。对于更大的轴子质量，$m_a \gtrsim 0.15$ eV，其中轴子保持平衡，直到QCD相变后，我们发现，一个类似欧几里德调查结合普朗克CMB数据可以检测到$m_a$在非常高的意义。我们的结论是强大的假设中微子质量的先验知识。考虑到所提出的IAO太阳轴子搜索对$m_a\lesssim 0.2$ eV敏感，宇宙学探测的轴子质量范围是很好的互补。
2015-02-11 astro-ph.CO
Non-Gaussian Distribution and Clustering of Hot and Cold Pixels in the WMAP Five-Year Sky
我们目前的测量集群的热和冷补丁的微波背景天空测量威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）的五年数据。这些测量结果与理论预测相比，假设宇宙学信号服从高斯统计。我们发现显着的差异，从最简单的基于高斯的预测。然而，测量对噪声在空间上不均匀（例如，因为天空的不同部分被观察了不同的时间长度）。我们将展示如何在进行预测时考虑这种空间不均匀性。即使在对噪声进行了更仔细的计算之后，与基于高斯的期望值的差异仍然存在。特别是，我们注意到，热和冷的像素集群不同的温度阈值在几度尺度内。虽然这些发现可能表明原始的非高斯，我们讨论这些差异的其他合理的解释。此外，我们发现一些偏离高斯在次度尺度，特别是在W波段，其起源可能与河外尘埃排放。
2009-06-11 astro-ph.CO astro-ph.GA
The contribution of the kinematic Sunyaev-Zel'dovich Effect from the Warm Hot Intergalactic Medium to the Five-Year WMAP Data
利用Wilkinson微波各向异性探测器（WMAP）五年观测数据，研究了由温暖-热的星系际介质（WHIM）产生的运动学Sunyaev-Zel'dovich（kSZ）效应对宇宙微波背景（CMB）温度各向异性的贡献。我们探索的一致性LambdaCDM宇宙模型，有和没有这个kSZ的贡献，使用马尔可夫链蒙特卡罗算法。我们的模型需要一个额外的参数来描述这个新的组件。我们的结果表明，kSZ信号的加入改善了数据的拟合，而没有显著改变除Obh ^[2]外的最佳拟合宇宙学参数。这种改进局限于l>500的多极子。对于最佳拟合模型，该额外分量在l~450处达到峰值，振幅为129 μ K^2，占威尔金森微波各向异性探测器测得的总功率的3.1%。尽管如此，在2-sigma水平上，零kSZ贡献仍然与数据兼容。检测到的信号的一部分可能来自未掩蔽的点源和/或泊松分布的前景残差。一个统计上更重要的检测需要更广泛的频率覆盖范围和角分辨率即将到来的普朗克任务。
2009-05-18 astro-ph.CO
Impact of local CP-odd domain in hot QCD on axionic domain-wall interpretation for NANOGrav 15-year Data
本文研究热QCD局域CP奇性域对轴子畴壁坍缩产生的引力波信号的影响，发现仅在θ=π时QCD偏置足够大，但信号过强，与NANOGrav 15年数据不符。
2024-05-24 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological axion bounds
我们讨论了当前宇宙学对轴子的限制，以及未来的敏感性。首先讨论了轴子热暗物质的界限，随后我们讨论了当前和未来的敏感性模型中，轴子发挥冷暗物质的作用，但在Peccei-Quinn对称性没有恢复在重新加热。
2009-10-29 astro-ph.CO hep-ph
The signature of the Warm Hot Intergalactic Medium in WMAP and the forthcoming PLANCK data
利用对数正态概率密度函数描述弱非线性物质密度场，计算了温热星系际介质与宇宙微波背景温度各向异性图之间的互相关。我们在威尔金森微波各向异性探测器测量的数据中寻找这种贡献。我们使用一个模板的投影物质密度重建从两微米全天红移巡天作为电子分布的示踪剂。细丝的空间分布模型使用最近发展的增广拉格朗日微扰理论。在这里考虑的尺度上，重建的密度场很好地描述了假设的对数正态分布函数。我们预测互相关将具有$0.03-0.3μ$ K的幅度。测量值接近于$1.5μ$ K，与模板中的结构和温度各向异性数据中的结构之间的随机对准相容。使用W1差分程序集来消除这种系统性，给出了由银河前景主导的剩余相关。普朗克可以检测到温暖-热介质，如果它是很好的跟踪密度场重建星系调查。217 GHz信道将允许消除杂散贡献，并且其大的频率覆盖范围可以显示从频谱的瑞利-金斯到维恩部分的符号变化，这是热Sunyaev-Zeldovich效应的特征。
2013-04-11 astro-ph.CO
Observational Constraints on Axions as Quintessence in String Theory
我们研究了弦论中轴子模型的观测约束，它可以成功地作为理论的精髓。在这个模型中宇宙的演化对轴子场的初始值很敏感。这个轴子场的初始值控制着宇宙演化与ΛCDM行为的偏离。我们使用最近的联盟2超新星Ia型数据集，以及从BAO测量的数据，移动参数的WMAP测量和$H(z)$测量。利用这些数据，重建的轴子场状态方程即使在2σ置信水平下，与宇宙学常数ω= -1的偏差也极小。这种分析的一个有趣的结果是，人们可以把约束的超对称性破坏尺度使用宇宙学测量假设不同的字符串相关参数的值，反之亦然。
2011-08-05 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Probing the Blue Axion with Cosmic Optical Background Anisotropies
提出通过宇宙光学背景各向异性探测质量约5-25 eV的“蓝色轴子”，建议新频率测量以提升寿命限制，并指出线强度映射实验对冷暗物质和热遗迹轴子的探测潜力。
2024-07-24 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological forecasts on thermal axions, relic neutrinos and light elements
未来宇宙微波背景和重子声学振荡测量的目标之一是提高中微子区的测量精度，提高对早期宇宙超暗辐射的灵敏度。在本文中，我们研究如何将这些改进转化为约束力的基本粒子的标准模型，涉及到量子色动力学（QCD）相变前热化的轴子散射与胶子动机良好的扩展。假设一个基准的$Λ$ CDM宇宙学模型，我们模拟了未来的数据阶段IV CMB和暗能量光谱仪（DESI）的调查和分析的混合方案的轴子和中微子热暗物质。我们还进一步说明了这些QCD轴子对大爆炸核合成预测的轻元素丰度的影响。最具约束力的预测限制的热遗迹质量是$m_{\rm a} \lesssim 0.92$ eV和$\sum m_ν\lesssim 0.12$ eV在95%的置信水平，表明未来的宇宙观测可以大大提高目前的边界，支持多信使分析的轴子，中微子和原始轻元素的属性。
2022-02-08 astro-ph.CO hep-ph
Isotropic cosmic birefringence from string axion domain walls without cosmic strings, and DESI results
本文提出弦轴子畴壁在复合后形成可解释 ACT 等观测到的各向同性宇宙双折射，且山顶轴子的非谐效应可贡献暗能量并联系 DESI 结果。
2025-09-02 astro-ph.CO hep-ph
Relic Densities of Dark Matter in the U(1)-Extended NMSSM and the Gauged Axion Supermultiplet
在一个具有规范反常U（1）对称性的超对称模型中，计算了超荷$U(1)_Y$动力学混合的中性伴子和轴子的暗物质残余密度。该模型是USSM（U（1）扩展的NMSSM）的变体，包含额外的U（1）对称性和相对于MSSM的超势中的额外单线态，其中规范不变性通过使用Stuckelberg多重态的Peccei-Quinn相互作用恢复。这种方法在光谱中引入了轴子（Im b）和撒克逊子（Re b），并产生了中性伴子的axino分量。Stuckelberg轴子（Im b）在电弱对称破缺后发展出一个物理成分（规范轴子）。我们分类的拉格朗日函数的所有相互作用，并进行了完整的模拟研究的频谱，使用micrOMEGAs确定的中性伴子遗迹密度。我们讨论的唯象影响的模型分析质量值的轴子从毫电子伏特到兆电子伏的区域。我们分析的可能的情况下，显着约束的WMAP数据的组合，从直接轴子搜索和否决权的排斥限制在核合成的时候晚熵释放。
2012-04-14 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Cosmological bounds on sub-MeV mass axions
质量大于0.7 eV的轴子被宇宙学精确数据排除在外，因为它们提供了太多的热暗物质。虽然对于质量超过20 eV的轴子寿命下降到宇宙的年龄以下，我们表明，宇宙学的排斥范围可以从0.7 eV扩展到300千电子伏，主要是由宇宙氘丰度：轴子衰变将强烈修改重子光子比在BBN相对于一个在CMB去耦。其他的论点包括中微子稀释相对于光子的轴子衰变和光谱CMB扭曲。我们新的宇宙学约束补充了恒星演化极限和实验室界限。
2011-01-21 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on the Sunyaev-Zel'dovich signal from the Warm Hot Intergalactic Medium from WMAP and SPT data
在温热的星系际介质中，电离气体的分数在宇宙微波背景上引起类似于星系团的温度各向异性。由于这些低密度、弱非线性的重子丝所导致的Sunyaev-Zel'dovich各向异性不能用频率信息与团簇的各向异性区分开来，但由于它们的角标度非常不同，它们可以分开。为了确定WHIM SZ信号对温度各向异性辐射功率谱的相对贡献，我们使用Monte Carlo马尔可夫链和威尔金森微波各向异性探测器7年和南极望远镜数据探索了一致性LCDM模型的参数空间。我们发现了扩散气体贡献的边缘证据，其振幅为A_WHIM=10-20 μ K^2，但结果也与WHIM的零贡献相一致，允许设定A_WHIM < 43 μ K^2（95.4% C.L.）的上限。星系团产生的信号保持在A_CL=4.5 μ K ^2，这个值与不包括WHIM时得到的值相似。从测得的WHIM振幅，我们约束的扩散气体的温度-密度相图，并发现它是兼容的数值模拟。WHIM中相应的重子分数从0.43到0.47不等，取决于模型参数。普朗克数据可以对温度-密度关系设置更严格的约束。
2013-04-10 astro-ph.CO
Axion cold dark matter revisited
我们研究的理论参数的具体值的轴子可以形成整体的冷暗物质。我们检查允许的轴子参数区域的光最近的数据收集的WMAP 5任务加上重子声学振荡和超新星\cite{komatsu}，并假设一个暴胀的情况和标准宇宙学。我们还升级治疗的非谐性的轴子潜力，我们发现在某些情况下很重要。如果在暴胀之后恢复佩切-奎因对称性，我们就恢复了轴子质量和密度之间的通常关系，因此轴子质量$m_a =(85 \pm 3){\rm μeV}$使轴子成为100%的冷暗物质。如果Peccei-Quinn对称性在暴胀过程中被破坏，那么轴子可以是$m_a < 15{\rm meV}$的冷暗物质的100%，只要初始失准角$θ_i$的特定值被选择为与其质量$m_a$的给定值相对应。Peccei-Quinn对称性破缺标度的大值对应于初始失准角$θ_i$的小值，该小值可能小得令人不舒服。
2009-10-20 astro-ph.CO
Indirect Detection of Hot Dark Matter
本文提出了一个探测热暗物质的框架，通过追踪热遗迹粒子在冷暗物质晕周围的密度分布，并利用矮星系、银河系和星系团的观测数据，对axion-光子耦合设定了严格限制，为eV范围内的热axions确立了新界限。
2024-12-18 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
The 7 keV axion dark matter and the X-ray line signal
我们提出了一个方案，其中的saxion主导的能量密度的宇宙和重新加热的标准模型部门通过超对称耦合，而它的轴子伙伴有助于暗物质衰变成光子通过相同的运营商在超对称。有趣的是，对于轴子质量$m_a \simeq 7$ keV和衰变常数$f_a \simeq 10^{14-15}$ GeV，最近发现的X射线线在$3.5$ keV的XMM牛顿X射线观测数据可以解释。我们讨论了不同的宇宙学方面的$7$千电子伏的轴子暗物质，如生产的轴子暗物质，轴子衰变过程，热暗物质和等曲率约束的轴子暗物质，和可能的重子生成的情况。
2014-03-02 astro-ph.CO hep-ph
Hot pixel contamination in the CMB correlation function?
最近，有人提出，WMAP团队应用于时间排序的CMB数据的地图制作过程可能会因热像素而存在缺陷。由于卫星WMAP的差分测量过程，这可能导致与热像素具有大约141度角距离的像素中的偏差。这里，确认偏差，并且通过排除受影响的像素来重新评估温度两点关联函数C（θ）。结果表明，最显着的效果发生在C（θ）在最大的角度接近θ = 180度。此外，校正后的关联函数C（θ）被应用到宇宙的立方拓扑结构，它被发现，这样一个多连接的宇宙匹配的温度相关性比LCDM和谐模型更好，提供的立方长度尺度接近L=4测量的哈勃长度的单位。
2009-12-17 astro-ph.CO
Axion cold dark matter: status after Planck and BICEP2
根据最新的宇宙学数据，我们研究了轴子暗物质方案（ADM），在该方案中，轴子占宇宙中所有的暗物质。特别是，我们使用普朗克温度数据，补充WMAP E-偏振测量，以及最近的BICEP 2观测的B-模式。数值分析中还考虑了包括重子振荡光谱巡天在内的重子声学振荡数据。我们发现，在最小ADM情况下，完整的数据集意味着轴子质量m_a = 82.2 pm 1.1 μeV（对应于佩西-奎因对称性在尺度f_a =（7.54 pm 0.10）*10^10 GeV处破缺），当考虑到相对论性粒子的非标准有效数Neff时，m_a = 76.6 pm 2.6 μeV（f_a =（8.08 pm 0.27）*10^10 GeV）.我们还发现Neff > 3.046的2σ偏好。当Neff = 3.046时，在95%CL下，中微子质量总和的极限为Sum m_v < 0.25eV;当Neff为自由参数时，Sum_v <0.47eV。考虑扩展的情况下，无论是暗能量状态方程参数w，张量谱指数nt或运行的标量指数dns/dlnk被允许改变不显着改变轴子质量-能量密度的约束。然而，在这里利用的完整数据集的情况下，有一个非零张量指数或标量运行的偏好，由普朗克和BICEP 2观测所暗示的不同张量振幅驱动。
2014-05-08 astro-ph.CO hep-ph
The dark-matter axion mass
我们从空间随机的初始条件在轴子场的轴子生产的效率进行评估，所以一个网络的轴子弦。对于第一次，我们进行了数值模拟，充分考虑了大的短距离贡献的轴弦张力，并由此产生的高张力轴弦的密集网络。然而，我们发现，总的轴子生产是有点效率低于角度平均失调的情况下。结合我们的结果和最近对热QCD拓扑磁化率的测定（Borsanyi et al 2016），我们发现如果轴子构成了所有的暗物质，那么轴子质量为m_a = 26.2 +-3.4微电子伏特。
2017-08-24 astro-ph.CO hep-lat hep-ph
Cosmological Axion and neutrino mass constraints from Planck 2015 temperature and polarization data
轴子目前提供了最引人注目的解决方案，强CP问题。这些粒子可能在早期宇宙中大量产生，包括通过热过程。因此，残余轴子构成了热的暗物质成分，它们的质量与三个活跃中微子的质量强烈简并，因为它们在不同的宇宙学观测值中留下相同的签名。此外，热轴子，虽然仍然相对论状态，也有助于相对论自由度，通过$N_{eff}$参数化。我们提出的宇宙学界限的遗迹轴子和中微子的质量，利用完整的普朗克任务的数据，其中包括偏振测量。在这里探讨的混合热暗物质的情况下，我们发现最严格和更强大的约束，迄今为止的总和三个活跃的中微子质量，$\sum m_ν<0.136$ eV在$95\%$ CL，在著名的线性微扰制度。普朗克的Sunyaev-Zeldovich星系团数计数数据进一步收紧了这个界限，在这个非常相同的混合热暗物质模型中提供了一个$\sum m_ν<0.126$ eV的$95\%$ CL上限，这个值非常接近中微子质量倒置的预期。使用相同的数据集的组合，我们发现最严格的绑定到目前为止的热轴子质量，$m_a<0.529$电子伏特在$95\%$ CL。
2015-07-30 astro-ph.CO astro-ph.HE
Everything hot everywhere all at once: Neutrinos and hot dark matter as a single effective species
本研究拓展有效分布方法，证明多种热暗物质组分可等效为单一有效组分，提升了FlowsForTheMasses微扰理论精度，量化了中微子质量序近似误差并公开相关代码。
2024-10-08 astro-ph.CO hep-ph
Evaporating primordial black holes, the string axiverse, and hot dark radiation
我们表明，原始黑洞（PBH）发展不可忽略的自旋通过霍金发射的大量轴子一般存在于弦论紧化。这是因为标量可以在无角动量模式（$l=0$）下发射，在这种模式下，没有角动量从BH中移除，因此足够多的标量可以补偿费米子、规范玻色子和引力子发射产生的自旋下降。由此产生的$10^8$ - $10^{12}$ kg PBH的特征自旋分布可能由未来的伽马射线观测站测量，前提是PBH丰度不是太小。这产生了一个独特的探测光标量的总数在基本理论，独立于如何弱，他们与已知的物质相互作用。目前由霍金辐射产生的热的MeV-TeV的轴子的局部能量密度可能超过$ρ_{\rm CMB}$。蒸发对PBH的约束也有所减弱。
2021-10-26 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
The Glow of Axion Quark Nugget Dark Matter: (II) Galaxy Clusters
本研究利用SLOW模拟分析161个模拟星系团的轴子夸克块暗物质辐射，对比其电磁特征与热轫致辐射等信号，模拟多望远镜观测频段，提出Fornax和Virgo星系团是搜寻该暗物质辐射特征的最优候选。
2024-06-25 astro-ph.CO astro-ph.HE
Warm and Fuzzy Dark Matter: Free Streaming of Wave Dark Matter
本文研究以相对论性波数产生的波暗物质（如暴胀后轴子）的自由流效应，类比暖/热暗物质，指出其增强抑制、影响等曲率涨落，且观测影响因动量分布而异。
2025-09-10 astro-ph.CO hep-ph
A search for ultra-light axions using precision cosmological data
Ultra-light axions (ULAs) with masses in the range 10^{-33} eV <m <10^{-20} eV are motivated by string theory and might contribute to either the dark-matter or dark-energy density of the Universe. ULAs could suppress the growth of structure on small scales, or lead to an enhanced integrated Sachs-Wolfe effect on large-scale cosmic microwave-background (CMB) anisotropies. In this work, cosmological observables over the full ULA mass range are computed, and then used to search for evidence of ULAs using CMB data from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), Planck satellite, Atacama Cosm…
2015-05-21 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Axion Relic Pockets -- a theory of dark matter
本文提出一种基于轴子物理和宇宙学相变的暗物质新理论，指出规范耦合通过一阶相变增强会自然产生由热轴子气体压力稳定的“轴子遗迹口袋”，其宏观性质仅取决于相变温度，并可通过伽马射线观测等进行检验。
2024-08-22 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Cosmological Bound on the QCD Axion Mass, Redux
我们重新审视的联合约束的混合热暗物质的情况下，热产生的QCD轴子和遗迹中微子都存在。在重新计算宇宙学的轴子丰度通过最近的进展，在文献中，我们改进了国家的最先进的分析，并提供更新的界限上的轴子和中微子的质量。通过避免近似的方法，如瞬时解耦近似，和限制，由于有限的有效性的微扰方法在QCD，被迫人为地划分的约束从轴子-π和轴子-胶子生产渠道，我们找到了强大的和自洽的限制。我们研究了两个最流行的轴子框架：KSVZ和DFSZ。从大爆炸核合成（BBN）轻元素丰度数据中，我们发现KSVZ轴子$ΔN_{\rm eff}<0.31$和轴子质量束缚$m_a < 0.53 $ eV（即，轴子衰减常数$f_a > 1.07 \times 10^7$ GeV的约束），两者都在$95\%$ CL。如果假设宇宙微波背景（CMB）数据中的重子能量密度有先验，则BBN边界可改进为$ΔN_{\rm eff}<0.14$和$m_a< 0.16$ eV（$f_a > 3.56 \times 10^7$ GeV）.相反，当考虑普朗克卫星的宇宙微波背景温度、偏振和透镜的宇宙学观测与大尺度结构数据相结合时，我们在$95\%$ CL发现了$ΔN_{\rm eff}<0.23$、$m_a< 0.28$ eV（$f_a > 2.02 \times 10^7$ GeV）和$\sum m_ν< 0.16$ eV。这大约对应于一个因素$5…
2022-09-11 astro-ph.CO hep-ph
A novel model-marginalized cosmological bound on the QCD axion mass
本文结合多源CMB与BAO数据，在混合热暗物质场景下进行模型边缘化分析，获得了QCD轴子质量与中微子质量的严格限制，并发现最佳背景宇宙学偏离最小ΛCDM模型。
2023-05-24 astro-ph.CO hep-ph
Primordial Nucleosynthesis After WMAP
在早期的演化过程中，炽热、致密的宇宙为探索高能基础物理提供了实验室。通过研究这些早期时代的遗迹，例如宇宙只有几分钟大时原始核合成过程中合成的轻元素，以及大约40万年后质子、阿尔法粒子和电子（重新）结合时最后散射的遗迹，宇宙微波光子，宇宙的演化可以用来检验宇宙学和粒子物理学的标准模型，并对超越这些标准模型的物理学建议设置约束。
2010-04-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Observational Constraints on Gauge Field Production in Axion Inflation
轴子暴胀模型特别有趣，因为它们为超普朗克距离上的势的平坦性提供了一个自然的理由，即暴胀子的近似移位对称性。此外，大多数观测结果与这种对称性直接相关，因此是相关的。大的张量模可以伴随着一个位移对称耦合$ϕF\tilde F$到一个规范场的可观测效应。在暴胀过程中，这种耦合导致大量规范量子的产生，从而导致原始曲率扰动的非常明显的修改。在这项工作中，我们将这些预测与观测进行比较。我们发现，该模型的主要约束来自CMB功率谱时，考虑WMAP 7年和ACT数据。由规范场的非高斯逆衰变产生的双谱导致了一个类似的但稍弱的约束。使用TRIS加COBE/FIRAS数据也有来自μ失真的约束，但它要弱得多。最后，我们评论的推广模型的大规模规范场。当质量是由一些轻希格斯场产生时，可以产生明显大的局部非高斯性。
2012-03-27 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Cosmological Implications of Axion-Matter Couplings
轴子和其他轻粒子在物理学中无处不在，超越了标准模型，与普通物质有各种可能的耦合。宇宙学为这些粒子提供了一个独特的探测器，因为它们可以在早期宇宙的热环境中进行任何这种耦合。对于亚MeV粒子，它们的熵必须留下可测量的宇宙学信号，通常通过相对论粒子的有效数量$N_\mathrm{eff}$。在本文中，我们将重新审视从低于电弱尺度的热化的轴子和其他伪Nambu-Goldstone玻色子到标准模型费米子的耦合的宇宙学约束，其中这些耦合是边缘的，并对$ΔN_\mathrm{eff} > 0.027$的辐射密度做出贡献。我们更新的生产率的计算，以消除不必要的近似，并发现这些相互作用的宇宙学界限是互补的天体物理约束，例如从超新星SN 1987 A。我们还提供了定量的解释，这些界限和它们之间的关系。
2022-03-31 astro-ph.CO hep-ph hep-th
A new life for sterile neutrinos: resolving inconsistencies using hot dark matter
在宇宙学的标准LCDM模型中，最近的普朗克测量显示出与其他观测结果的差异，例如，测量了当前的膨胀率H_0、星系切变功率谱和星系团的计数。我们表明，如果LCDM是由一个热的暗物质组件，这可以被解释为一个不育中微子，数据集可以结合一致。结合普朗克数据、WMAP-9偏振数据、BAO标度测量、HST测量的H_0、普朗克星系团计数和CFHTLens巡天的星系切变数据，得出1 σ时的Delta N_eff = 0.61 pm 0.30和m_s^eff =（0.41 pm 0.13）eV。前者主要是由HST测量的大H_0驱动的，而后者是由集群数据驱动的。CFHTLens星系剪切数据更倾向于Delta N_eff >0和非零质量。两者合计，我们发现线索的存在下，热暗物质组件在3西格玛。一个无菌中微子的反应堆和镓异常的动机出现拒绝在更高的意义和加速器异常无菌中微子被发现在2西格玛紧张。
2013-11-04 astro-ph.CO hep-ph
Squeezing the Axion
我们将压缩态理论应用于暴胀过程中产生的标量场暗物质（如轴子）扰动。对于暴胀微扰，当模离开视界时，标量场态变得高度压缩。只要$H>m_ϕ$（$H$是哈勃速率，$m_ϕ$是标量质量），标量场在再加热过程中就不会发生相互作用，我们就可以精确地跟踪它的演化，就像模重新进入视界一样。我们发现在热大爆炸中，视界重入后的量子态仍然是压缩态。这证明了暴胀理论中众所周知的一个事实：纯量暗物质的宇宙学可观测量可以用具有固定相位的经典随机场精确建模。我们的计算涵盖了所有小于当今宇宙德布罗意波长的模式。当$H<m_ϕ$时，较大尺度的模与环境引力混合，因此预计会退相干。
2021-09-27 astro-ph.CO hep-ph quant-ph
Dark Fermions and Spontaneous $CP$ violation in $SU(2)$-axion Inflation
值得注意的是，如果$CP$在暴胀物理中自发破缺，费米子会注意到并记住它。基于此，我们提出了一个新的（非热）机制，用于产生热大爆炸前的自相互作用暗狄拉克费米子。非阿贝尔规范场和轴子是暴胀粒子物理的重要内容。在此背景下，我们分析研究了$SU(2)$规范场下的狄拉克费米子二重态，并利用点分裂技术对流进行正则化。我们表明，非平凡的$CP$违反真空结构的$SU(2)$ -轴子模型，自然导致一个有效的机制，产生大量的费米子在通货膨胀。费米子反反应的大小和暗费米子的密度分数为费米子的质量设定了上限。在大统一理论尺度的暴胀中，产生的暗费米子，只在引力作用下耦合到可见扇区，可以和$m\lesssim 10 TeV$一样重。
2019-12-04 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Axion as a cold dark matter candidate: low-mass case
作为相干振荡标量场的轴子在所有宇宙学相关尺度下都表现为冷暗物质。对于质量为10^{-5} eV的常规轴子，在小于太阳系尺度的密度扰动演化中，轴子表现出特征阻尼行为。阻尼尺度与轴子质量的平方根成反比。我们发现，小于10^{-24} eV的轴子质量在宇宙学相关尺度中引起重子密度功率谱的显著阻尼，从而在小于轴子金斯尺度的尺度中偏离冷暗物质。然而，由于质量如此之小，我们关于相干振荡的标量场的基本假设在早期宇宙中被打破了。基于玻色-爱因斯坦凝聚体和超轻标量场的其他暗物质模型也存在这个问题。我们引入一个简单的模型，以避免这个问题，在早期宇宙中引入演化的轴子质量，目前的低质量轴子的重子密度功率谱，宇宙微波背景辐射（CMB）的温度功率谱，和重子密度扰动的增长率的观测效果。在我们的低质量轴子模型中，我们有一个特征性的小尺度截断的重子密度功率谱低于轴子金斯尺度。在物质和CMB功率谱中，与冷暗物质模型的小尺度偏差明显不同于在冷暗物质模型中与作为热暗物质组分的大质量中微子混合的预期偏差。
2012-07-13 astro-ph.CO
Quintessential inflation with a trap and axionic dark matter
我们研究了一个新的模型的典型的通货膨胀的灵感来自超引力和弦论。该模型的特点是一个动力学极，它引起了暴胀高原，和一个失控的典型尾巴。我们设想暴胀子和Peccei-Quinn（PQ）场之间的耦合终止失控暴胀子的滚动，并将后者捕获在增强对称点（ESP），从而打破PQ对称性。暴胀子的动力学密度由于PQ粒子的衰变而转移到热大爆炸新产生的热浴中。该模型成功地解释了暴胀和暗能量的观测，而无需任何微调，同时也解决了QCD的强CP问题，并产生了轴子暗物质，而无需等曲率扰动。在ESP处捕获暴胀子可以确保模型不会受到臭名昭著的第五种力量问题的困扰，这通常困扰着quintessence。
2019-10-10 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Saxion Cosmology for Thermalized Gravitino Dark Matter
在所有的超对称理论中，质量被普朗克尺度抑制的引力子是暗物质的明显候选者;但是如果引力子达到热平衡，这样的暗物质显然要么太丰富，要么太热，被排除在外。然而，在轴子理论中，一个轴子凝聚体是在宇宙历史的早期产生的，它的晚期衰变稀释了暗物质。我们表明，这种稀释允许先前热化的引力子占观察到的暗物质在非常宽的范围内的引力子质量，千电子伏< $m_{3/2}$ < TeV，轴子衰变常数，$10^9$ GeV < $f_a$ < $10^{16}$ GeV，和saxion质量，10兆电子伏< $m_s$ < 100 TeV。这个参数空间上的约束条件进行了研究，从BBN，超对称性破缺，引力子和轴子生产冻结和萨克逊衰变，并从轴子生产错位和参数共振机制。$(m_{3/2}, f_a, m_s)$的大的允许区域仍然存在，但是对于DFSZ和KSVZ理论是不同的。在对撞机上产生的超伴子可能会导致顶点位移和扭结的事件，并且可能包含衰变为$(WW,ZZ,hh), gg, γγ$或一对标准模型费米子的萨克斯子。冻结可能导致引力子暗物质的次主导暖成分，而萨克逊衰变为轴子可能导致暗辐射。
2017-03-28 astro-ph.CO hep-ph
Robustness of cosmological axion mass limits
我们目前的宇宙学边界上的热轴子质量在一个扩展的宇宙学的情况下，原始功率谱的标量扰动不同于通常的幂律形状预测的最简单的通货膨胀模型。功率谱的建模，而不是通过一个“分段三次埃尔米特插值多项式”（PCHIP）。当使用宇宙微波背景测量与其他宇宙学数据集相结合，热轴子质量的约束只略有下降。从2013年普朗克星系团目录中增加对星系数计数的$σ_8$和$Ω_m$的测量放宽了对热轴子质量的限制，稍微有利于$\sim 1$ ~eV的轴子质量，而不管原始功率谱采用的模型如何。如果在我们的数值分析中也将三个活动中微子质量之和视为自由参数，因为这两个热遗迹的质量之间有很强的相关性。
2015-06-04 astro-ph.CO astro-ph.HE
Axion-photon conversion in transient compact stars: Systematics, constraints, and opportunities
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步加速器）；Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）；Max-Planck Institut für Astrophysik（马克斯·普朗克天体物理学研究所）；Max-Planck-Institut für Physik（马克斯·普朗克物理研究所）
研究轴子类粒子在致密星体环境中的磁转换过程，探讨超相对论性轴子转化为光子的机制，更新约束并预测未来伽马射线探测器的灵敏度。
2026-03-18 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Subjecting dark matter candidates to the cluster test
兹威基利用星系团来证明暗物质的存在，这提出了新的严格的检验。如果合并的星系团表明暗物质与横截面$σ/m\sim 2$ cm $^2$ /gr自相互作用，那么MACHO、原始黑洞和构建MACHO的轻轴子就被排除为星系团暗物质。最近的强透镜和X射线气体数据的相当轻松，相当球形的集群A1835允许测试的情况下，暗物质与麦克斯韦-玻尔兹曼，玻色-爱因斯坦和费米-狄拉克分布，旁边的Navarro-Frenck-White配置文件。除了在费米子情形下，在超过$5σ$时，对所有这些轮廓的拟合都被正式拒绝。用质量为$1.61^{+0.19}_{-0.30}$ eV/ $c^2$的（近似）狄拉克中微子的解释与星团A1689上的结果一致，与WMAP、普朗克和DES暗物质部分一致，与没有检测到中微子的双$β$衰变一致。该案例将在2018年KATRIN实验中进行测试。
2017-10-03 astro-ph.CO hep-ph
NuSTAR bounds on radiatively decaying particles from M82
本文利用NuSTAR观测数据，通过分析M82星系中慢轴子衰变产生的X射线特征缺失，对30-500 keV轴子质量与光子耦合参数设定了新界限，该方法可推广至其他重FIPs和天体源。
2025-05-04 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Thermal production of cold "hot dark matter" around eV
本文指出 Bose 增强可使 eV 级玻色子暗物质经 $1\leftrightarrow2$ 衰变/逆衰变从热等离子体中冷产生，从而化解传统热暗物质的结构形成张力。
2023-01-20 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Seven-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation
7年的WMAP数据和改进的天体物理数据严格检验了标准宇宙学模型及其扩展。通过结合WMAP和来自BAO和H 0测量的最新距离测量，我们确定了最简单的LCDM模型的参数。原始功率谱的幂律指数为n_s=0.968+-0.012，这是一个将标度不变谱排除99.5%CL的测量值。其他参数也比5年结果有所改善。改进参数的显著例子是中微子的总质量，sum（m_nu）<0.58eV，以及中微子种类的有效数，N_eff=4.34+0.86-0.88。我们探测到了原初氦对温度功率谱的影响，为大爆炸核合成提供了一个新的检验。我们检测，并显示在地图上的第一次，切向和径向偏振模式周围的热点和冷点的温度波动，一个重要的测试物理过程在z=1090和绝热标量波动的主导地位。对于7年TB功率谱，由于潜在的宇称违反效应而导致的偏振平面旋转的限制已经改进为Delta（alpha）=-1.1+-1.4（stat）+-1.5（syst）度。我们报告显着检测SZ效应在已知的星系团的位置。所测量的SZ信号与来自X射线数据的预期信号一致。然而，它是Arnaud等人的“通用概况”预测的0.5至0.7倍，分析模型和流体动力学模拟。我们首次在SZ效应中发现冷却流和非冷却流团簇（或松弛和非松弛团簇）之间存在显着差异，这可以解释其中的一些差异。这一较低的振幅与南极望远镜合作组最近测得的低于理论预期的SZ功率谱一致。
2010-11-09 astro-ph.CO
Reappraisal of the Constraints on Heavy Axion-like Particles from Gamma-Ray Bursts
Washington University（华盛顿大学）；Johannes Gutenberg-Universität Mainz（美因茨约翰内斯古腾堡大学）；SISSA, International School for Advanced Studies（国际高等研究学院）；IFPU, Institute for Fundamental Physics of the Universe（宇宙基础物理研究所）；INFN, Sezione di Trieste（意大利国家核物理研究所的里雅斯特分部）；University of Johannesburg（约翰内斯堡大学）；The George Washington University（乔治华盛顿大学）
该研究利用伽马射线暴重新评估重类轴子粒子与光子耦合的约束，考虑不同能量注入情景下的产生率，更新能量损失界限，指出特定区域ALP产生能形成次级火球，可借此用X射线等望远镜间接探测，未来灵敏度有望约束新参数空间。
2026-07-09 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
The ALP miracle: unified inflaton and dark matter
我们提出了一个方案，其中通货膨胀和暗物质描述的一个单一的轴子类粒子（ALP）在一个统一的方式。在一类最小轴子山顶暴胀中，最大和最小势能点的有效质量大小相等，但符号相反，因此ALP暴胀子在暴胀和真真空中都很轻。在暴胀之后，大部分的ALP通过与光子的耦合而衰变并蒸发成等离子体，而剩余的则成为暗物质。我们发现，所观察到的CMB和物质的功率谱以及暗物质丰度指向ALP的质量$m_ϕ= {\cal O}(0.01)$ eV和轴子-光子耦合$g_{ϕγγ} ={\cal O}(10^{-11})$ GeV $^{-1}$：ALP奇迹。建议的参数区域是在下一代轴子日光镜，IAO的范围内。此外，热化的ALP有助于热暗物质和它的丰度给出的额外的中微子物种，$ΔN_{\rm eff} \simeq 0.03$的有效数量，这可以通过未来的CMB实验进行测试。我们还讨论了多个ALP的情况下，在早期宇宙中，光子的耦合可以增强一个数量级或更多，这扩大了ALP奇迹的参数空间。重ALP在混合暴胀中扮演瀑布场的角色，并重新加热宇宙，它可以在SHiP等各种实验中找到。
2017-05-14 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Comment on cluster analysis of radio loops in CMB data
最近的一篇文章（Liu et al. 2014）在WMAP内部线性组合图（ILC）中寻找来自星系射电环路（称为Loop I）的未建模发射的证据。统计学上最强的结果来自聚类分析，该聚类分析测试环路I处的$20^\circ$瓣环内的“热点”是否优先位于瓣环中心线附近。根据该聚类分析，当考虑四个最高分组（75-87 $μ$ K）时，作者报告了0.018%的$p$值。我表明，报告的统计学意义被高估了。首先，该分析没有正确地选择模拟天空实现中的热点;其次，它对所使用的地图像素化敏感，特别是，所使用的像素大小与相关聚类距离相似。我已经运行了10，000个模拟的天空实现，以重现Liu等人的分析，并计算不正确的热点选择和像素化的影响。考虑到这两种效应，我发现在最高箱检验和四箱检验中，校正后的$p$值均为$\sim1\%$。最后，我注意到，即使假设循环I对ILC图贡献了显著的力量，观察到的聚类仍然是非常不可能的。因此，与统计各向同性不一致的结果不能自动成为检测到Loop I的有力证据。我建议进行额外的测试，以澄清聚类分析支持在CMB地图中检测到Loop I的程度。
2014-09-25 astro-ph.CO astro-ph.GA
Cosmology
宇宙学和粒子物理学是紧密相关的。其中常见的问题是宇宙的暗能量、暗物质和重子不对称性。我们讨论这些问题的一般条款，并集中在几个特定的假设。在暗物质方面，我们认为弱相互作用的大质量粒子和轴子/类轴子粒子是冷的暗物质，无菌中微子和引力子是暖的暗物质。在重子不对称性方面，我们讨论电弱重子生成作为一个仍然可行的机制。我们简要描述了不同的实验和观察方法来检查这些假设。然后我们转向最早的宇宙学。我们给出的参数表明，热阶段之前的另一个时代，密度扰动和可能的原始重力波产生。这里最好的猜测是暴胀，这与我们所知道的密度扰动的一切都是一致的，但也有其他的情况。在这方面，未来对密度扰动特性的测量和可能发现的原始重力波具有很大的潜力。
2018-04-30 astro-ph.CO gr-qc
