The QCD Axion and Gravitational Waves in light of NANOGrav results
北美纳赫兹天文台的引力波(NANOGrav)合作最近报告了强有力的证据,随机过程影响12.5年的脉冲星定时残差数据集。我们表明,信号可以解释在一个随机的引力波的背景下发出的网络在早期宇宙的轴子弦。Peccei-Quinn对称性的自发破缺产生了轴子弦网络和模型中的暗物质粒子QCD轴子。我们探讨了一个非标准的宇宙学模型驱动的奇异标量场$ϕ$的影响下的自相互作用势的发展,轴子场开始振荡在修改后的宇宙学,并提供了观测到的暗物质。对于状态方程$w_ϕ< 1/3$,QCD轴子质量比标准宇宙学中预期的要小,而来自轴子弦的GW谱要大。我们评估的参数空间的模型是一致的NANOGrav- $12.5\,$年的检测,这可以解释在95%的限制内的QCD轴子场演化的尘埃类的情况下,以及在68%的限制内的宇宙学与$w_ϕ< 0$。
2021-03-24 astro-ph.CO hep-ph
Nano-Hz gravitational wave signature from axion dark matter
本文计算了轴子暗物质产生的U(1)规范场随机引力波背景的精确谱。规范场的爆炸性产生很快使线性分析的适用性失效,需要非线性格式。我们利用数值晶格模拟,以适当地遵循非线性动力学,如反向反应和再散射,这给重要的贡献发射的引力波。事实证明,衰变常数为$f \sim 10^{16}$ GeV的轴子给出了正确的暗物质丰度,预测了SKA可检测到的圆偏振引力波特征。我们还表明,由此产生的引力波频谱有可能解释NANOGrav12.5年的数据。
2020-10-21 astro-ph.CO hep-ph
Gravitational waves from type II axion-like curvaton model and its implication for NANOGrav result
NANOGrav最近的报告引起了人们的关注,因为它的信号可以用$f\sim 10^{-8}$ Hz的$Ω_{\rm GW}\sim 10^{-9}$的随机引力波(GW)来解释。PBH形成情景是NANOGrav信号的候选者之一,它可以同时解释在LIGO-Virgo合作的二元合并事件中观察到的$30 M_\odot$黑洞。我们专注于第二类轴子曲率模型的PBH形成。在第二类模型中,复场的相位部分是轴子,从势的原点滚下。研究发现,II型模型实现了宽功率谱的密度扰动,可以同时解释LIGO-Virgo事件和NANOGrav信号。我们还改进了我们的模型中的扰动的非高斯性的处理,以准确地估计所引起的GWs的幅度。
2021-05-18 astro-ph.CO hep-ph
Aligned Natural Inflation and Moduli Stabilization from Anomalous $U(1)$ Gauge Symmetries
为了在弦框架下获得大张量标量比的自然暴胀,我们需要一种特殊的模量稳定机制来分离Kähler模量的实部和虚部在不同尺度下的质量,并从次普朗克轴子衰减常数中获得trans-Planckian轴子衰减常数.在这项工作中,我们稳定的物质场的F-项和Kähler模量的实分量的两个异常$U(1)_X\times U(1)_A$对称性的D-项强烈在高尺度下,而相应的轴子保持轻,由于它们的Fayet-Iliopoulos(FI)项在模量稳定。在双基本表象下,利用具有大质量物质场的隐规范对称性$SU(n)\times SU(m)$的高吉诺凝聚,得到了跑道型轴子超势.通过Kim-Nilles-Pelroso(KNP)机制的轴子排列对应于我们模型中两个Kähler模量的近似$S_2$交换对称性,轻微的$S_2$对称性破缺导致超普朗克衰变常数的自然暴胀.
2014-07-07 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Production of gravitational waves by inflationary transitions in aligned natural inflation
本文证明对齐轴子暴胀普遍存在由快速振荡相变分隔的两个暴胀阶段,并提出U(1)规范场耦合可在相变中产生具有强尺度依赖功率谱、频率峰值可被未来实验探测的引力波。
2025-10-20 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Gravitational Waves from Domain Wall Collapse, and Application to Nanohertz Signals with QCD-coupled Axions
该研究首次纳入晶格模拟偏置分析畴壁坍缩末期的引力波,解释了纳赫兹随机引力波信号或源于QCD耦合轴子畴壁,并探讨了轴子探测与原初黑洞相关前景。
2023-10-04 astro-ph.CO hep-ph
Trajectories with suppressed tensor-to-scalar ratio in Aligned Natural Inflation
在对齐的自然暴胀中,不同势项之间的对齐产生了比势中的轴子尺度更大的暴胀子偏移。我们表明,从一个一般的潜在的两个轴子与两个对齐的潜在的条款,有效的理论所产生的光的方向的特点是由四个参数:一个有效的潜在规模,一个有效的轴子常数,和两个额外的参数(有关比例的轴子规模和潜在的规模在$2-$场论)。对于这些额外参数的所有选择,模型可以支持沿谷(在$2-$场空间中)的暴胀,该谷以势的最小值结束。这导致类似于单场自然暴胀的现象。对于一个显着的范围内的额外的两个参数,该模型还具有更高的高度暴胀轨迹通过鞍点的$2-$场势,并断开任何最小值。当较重的方向变得不稳定时,这些平台结束,因此所有的暴胀都发生在鞍点附近,由于高度较高,在鞍点处电势较平坦(较小的$ε$参数)。因此,在最新的$1 σ$ CMB轮廓内,在允许的$n_s$区域中可以容易地实现张量标量比$r = {\rm O } \left( 10^{-4} - 10^{-2} \right)$。
2015-04-10 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
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
Implication of nano-Hertz stochastic gravitational wave background on ultralight axion particles
针对脉冲星计时阵列观测到的随机引力波背景,研究通过分析克尔黑洞与超辐射轴子云构成的引力原子能级跃迁,结合贝叶斯分析支持约10⁻²¹eV超轻轴子解释,其质量与模糊暗物质典型值一致。
2024-11-29 astro-ph.HE hep-ph
QCD Axion Domain Walls from Super-Cooling First Order Phase Transition
本文探究了NANOGrav信号可能源自的过冷一阶相变如何改变QCD轴子演化,发现其可诱导轴子经历短暂的迷你动力学错配并促使QCD轴子畴壁形成,为轴子存在与引力波信号解释提供新启示。
2025-06-24 astro-ph.CO hep-ph
Ferromagnetism of Axion Domain Wall
我们证明了在重子数或轻子数不为零的宇宙中,轴子畴壁是铁磁的。它是由束缚在畴壁上的质子和电子的自旋对齐引起的。这些束缚态的产生是由于费米子和轴子之间的伪矢量耦合产生的吸引势。利用强子轴子模型,我们预言了复合时存在强度为$10^{-13}$高斯的原初磁场。
1997-03-05 hep-ph
The nano-hertz and milli-hertz stochastic gravitational waves in the minimal clockwork axion model
Chongqing University(重庆大学);National Taiwan University(台湾大学);National Center for Theoretical Sciences(国家理论科学中心);Huzhou University(湖州学院);Institute of Theoretical Physics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院理论物理研究所);University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学);Henan Normal University(河南师范大学)
该研究提出最小钟表轴子模型,通过域墙湮灭产生纳赫兹和毫赫兹引力波信号,可被脉冲定时阵列和LISA等实验检测,同时解释了QCD轴子暗物质的残余密度。
2026-03-06 hep-ph
Looking at the NANOGrav Signal Through the Anthropic Window of Axion-Like Particles
本文研究了类轴子场演化过程中导致闭合畴壁形成的暴胀动力学,类轴子场的类Peccei-Quinn相变发生在暴胀之前.在暴胀之后,畴壁可能在随机引力波背景中留下它们的印记,在脉冲星定时阵列测量可访问的频率范围内。我们推导出的特征应变功率谱的封闭域壁的分布,并与最近报道的NANOGrav信号过剩。我们发现,由畴壁产生的特征应变谱的频率依赖性的斜率非常好地集中在NANOGrav报告的信号中的斜率范围内。分析ALP场的膨胀动力学,与等曲率约束一致,我们揭示了这些参数的组合,其中来自膨胀诱导的ALP畴壁的信号可以使NANOGrav过量的振幅饱和。足够大的封闭畴壁的演化可能导致虫洞的形成,而这些畴壁会逃逸到婴儿宇宙中。我们研究了封闭的墙壁逃入婴儿宇宙的条件,可以在随机的引力波背景中留下可检测的印记。
2021-06-26 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Modulated Natural Inflation
我们讨论了弦论中嵌入(对齐)轴子暴胀的一些与模型无关的含义。由于弦理论的对偶对称性,自然暴胀的纯余弦势被模函数所取代。这导致了暴胀势的“摆动”,从而修正了与CMB观测结果相关的预测。特别地,标量功率谱偏离标准幂律形式。作为一个副产品,我们可以证明,对齐的有效轴子的反普朗克偏移与弱引力猜想是相容的。
2015-11-17 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Cosmological Aspects of the Clockwork Axion
发条轴子是指一系列对齐的多轴子模型,导致Peccei-Quinn对称性破缺的尺度和轴子衰变常数的尺度之间的指数层次。发条机制可以将Peccei-Quinn尺度粒子带到对撞机实验的范围内,在这项工作中,我们感兴趣的是宇宙学观测是否对发条机制轴子施加了任何新的约束。如果宇宙再加热到超过佩切-奎因破缺的尺度,那么随之而来的宇宙学相变会产生一个拓扑缺陷网络,它的行为与通常的轴子模型中的弦壁网络有质的不同。我们估计的遗迹丰度的轴子暗物质和暗辐射所产生的轴子发射的缺陷网络,我们推断的Peccei-Quinn打破的规模和质谱的约束。我们发现缺陷对轴子暗物质遗迹丰度的贡献一般可以忽略不计。然而,当Peccei-Quinn对称性破缺的尺度大于$100 \, {\rm TeV}$时,相对论性轴子暗辐射的缺陷产生变得显著,而对$ΔN_{\rm eff}$的测量为这类模型提供了新的探索.
2018-03-19 astro-ph.CO hep-ph
Impact of chirality imbalance and nonlocal interactions on the QCD biased axionic domainwall interpretation of NANOGrav 15 year data
School of Mathematics and Physics, North China Electric Power University(华北电力大学数理学院)
研究QCD偏置和宇称不平衡对NANOGrav 15年数据中引力波信号的影响,发现非本地NJL模型下特定θ和μ_5条件下可解释观测结果。
2026-03-08 hep-ph
Axion production via trapped misalignment from Peccei-Quinn symmetry breaking
本文研究一般 PQ 破缺算符对轴子错位产生的影响,提出俘获错位机制变体可推迟轴子振荡,开辟 $m_a \gg 10^{-5}$ eV 的暗物质窗口,并可通过多种实验检验。
2024-08-08 astro-ph.CO hep-ph
Clockwork axion footprint on nano-hertz stochastic gravitational wave background
本文提出近期脉冲星计时阵列的纳赫兹引力波背景信号可由时钟工作轴子框架中约200 TeV能标形成的畴壁经QCD瞬子诱导湮灭产生,并首次揭示暗物质丰度与该引力波背景的关联,预言了可供未来实验检验的确定信号。
2024-04-04 astro-ph.HE hep-ph
A Novel Probe of Supersymmetry in Light of Nanohertz Gravitational Waves
本文在MSSM中提出由Higgs多重态轴子运动触发规范场不稳定性产生随机引力波的新机制,指出纳赫兹引力波可能是超对称的标志,并探讨了该轴子驱动暴胀的可能性。
2023-07-02 astro-ph.CO hep-ph
NANOGrav signal from axion inflation
本研究提出轴子暴胀中的陈-西蒙斯耦合可产生宇称破缺引力波,能补充解释NANOGrav观测到的纳赫兹引力波超出量,且该信号可通过未来干涉仪与其他新物理信号区分。
2023-12-15 astro-ph.HE hep-ph hep-th
Oscillating Chiral Tensor Spectrum from Axionic Inflation
我们研究了调制势下的轴子暴胀,考察了原初张量功率谱是否具有振荡特征,这一特征可以用未来的空间引力波实验(如DECIGO和BBO)来检验.在单场轴子单值暴胀的情况下,由于轴子的次普朗克衰变常数被抑制,很难检测到谱中的振荡。另一方面,在轴子与SU(2)规范场耦合的顺向色自然暴胀中,由于规范场引起的手征引力波的增强,张量谱中会出现相当大的振荡。我们期待这一特性将成为通过手征引力波研究早期宇宙中轴子现象的一个新的探索。
2016-07-07 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Ultimate light-shining-through-a-wall experiments to establish QCD axions as the dominant form of dark matter
本文提出在 haloscope 发现轴子后,利用约100 km长、1 m孔径并配置适当磁场的终极 LSW 实验,打破光子耦合与局部暗物质丰度简并,以确立 QCD 轴子为暗物质主要形式。
2025-01-08 hep-ex hep-ph
Detecting the QCD axion via the ferroaxionic force with piezoelectric materials
Perimeter Institute for Theoretical Physics(Perimeter理论物理研究所);Department of Physics and Astronomy, University of North Carolina(北卡罗来纳大学物理与天文学系);Center for Fundamental Physics, Department of Physics and Astronomy, Northwestern University(西北大学物理与天文学系基础物理中心);Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara(加州大学圣塔芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所);Center for Cosmology and Particle Physics, Department of Physics, New York University(纽约大学物理系宇宙学与粒子物理中心);Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute(Flatiron研究所计算天体物理学中心)
利用压电材料产生虚拟QCD轴子,生成新的轴子介导力,通过核自旋进动检测轴子与核自旋的伪标量耦合,增强共振效应以探测质量范围为10^-5至10^-2 eV的QCD轴子。
2026-04-29 hep-ex hep-ph nucl-th
Induced Domain Walls of QCD Axion, and Gravitational Waves
提出重轴子与QCD轴子混合产生感应畴壁的新机制,解释暗物质并可能对应NANOGrav观测的引力波背景。
2024-10-11 astro-ph.CO hep-ph
Axion dark matter with explicit Peccei-Quinn symmetry breaking in the axiverse
本文研究了早期宇宙中显式PQ对称性破缺下QCD轴子与ALP的质量混合及能级交叉现象,发现该机制可抑制QCD轴子遗迹密度并增强ALP遗迹密度,可能引发轴子畴壁、纳赫兹引力波和原初黑洞等宇宙学效应。
2024-08-28 astro-ph.CO hep-ph
Factoring the Strong CP Problem
我们提出了一种新的机制来解决强CP问题,使用$N\geq2$轴子,每个动态放松部分的$\barθ$参数。在高能量$M\ggΛ_{QCD}$下,$SU(3)_{c}$群成为$SU(3)^{N}$规范群的对角子群,并且每个单独的$SU(3)$因子中的非微扰效应为相应的轴子产生一个势。真空是自然排列的,以确保低能量下的$\barθ=0$,这些轴子的质量可以比标准QCD轴子大得多。这种机制避免了引入离散的$Z_2$对称性和与之相关的SM费米子的“镜像”副本,也避免了引入和稳定新的浅色态来修改在其他重轴子模型中发现的QCD规范耦合的运行。这加强了类轴子粒子在$(m_a, f_a)$平面中标准QCD轴子曲线之外的点上解决强CP问题的动机。
2017-10-11 hep-ph
Probing QCD Axions or Axion-like Particles in three-body $K$ Decays
本文研究 QCD 轴子或类轴子粒子在三体 kaon 衰变中的探测,提出估算方法,表明专用搜索可探测 $f_a$ 尺度在 $10^4$ 至 $10^6$ TeV,具有强大潜力。
2024-11-06 hep-ex hep-ph
Novel Physics with International Pulsar Timing Array: Axionlike Particles, Domain Walls and Cosmic Strings
在NANOGrav之后,IPTA合作也报告了随机引力波背景的强有力证据。这一暗示对基础物理学有着非常重要的意义。利用IPTA最近公布的第二批数据,我们试图寻找光的新物理信号。并对可听轴子、畴壁和宇宙弦模型给出了新的约束。我们发现,对应于衰变常数$F\approx5\times10^{17}$ GeV和轴子质量$m_a\approx2\times10^{-13}$ eV从NANOGrav数据的最佳拟合点被排除由IPTA在超过$2σ$置信水平。固定耦合强度$λ=1$,我们得到了$Z_2$对称性破缺尺度$η>135$ TeV的一个$2σ$下界.有趣的是,我们在$1σ$置信水平上对宇宙弦张力$\mathrm{log}_{10}\,Gμ=-8.93_{-0.06}^{+0.12}$给出了很强的限制。利用贝叶斯因子规则,我们发现IPTA数据分别对不相关的共同幂律(CPL)模型比可听轴子、域壁和宇宙弦具有中等、强烈和不确定的偏好。这意味着目前的观测很难将CPL与宇宙弦区分开来,需要更多高精度的脉冲星计时数据来提供潜在物理的新线索。
2022-03-21 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
A non-compact QCD axion
Max-Planck-Institut für Physik(马克斯·普朗克物理研究所);Arnold Sommerfeld Center, Ludwig-Maximilians-Universität(慕尼黑大学阿诺德·索末菲中心);Institute of Physics, École Polytechnique Fédérale de Lausanne(洛桑联邦理工学院物理研究所)
非紧致QCD轴子通过产生域墙并引发引力波背景,解释暗物质并规避传统宇宙学约束。
2025-12-23 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Pulsar timing signal from ultralight axion in $f(R)$ theory
$10^{-23}$ eV附近的超轻轴子被认为是可行的暗物质候选者。这种暗物质的一个显著特征是振荡压力,它产生频率在纳赫兹范围内的引力势振荡。最近,Khmelnitsky和Rubakov指出,这种依赖于时间的电势会导致脉冲到达残差,并且可以通过平方公里阵列(SKA)实验观察到。本文在$f(R)$理论框架下研究了轴子振荡压力的可探测性,并证明了引力势的振幅与爱因斯坦理论相比可以被增强或抑制,这取决于$f(R)$模型的参数和轴子的质量.特别地,我们研究了Hu-Sawicki模型,并找到了排除Hu-Sawicki模型的条件。
2016-04-08 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Bias with a Timer: Axion Domain Wall Decay and Dark Matter
Tsung-Dao Lee Institute, Shanghai Jiao Tong University(上海交大汤川研究所);School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University(上海交通大学物理与天文学院);SISSA International School for Advanced Studies(国际高等研究院);INFN, Sezione di Trieste(意大利国家核物理研究所的里雅斯特分部);IFPU, Institute for Fundamental Physics of the Universe(宇宙基础物理研究所)
该研究探讨暴胀后QCD轴子与轻标量场的相互作用,通过弦-畴壁网络衰变等机制产生轴子暗物质,在无精细调谐下实现正确丰度。
2026-08-04 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Heavy QCD axion model in light of pulsar timing arrays
本研究提出脉冲星计时阵列观测到的纳赫兹随机引力波背景,可由重QCD轴子模型中TeV标度Peccei-Quinn对称性破缺引发的过冷一阶宇宙学相变产生,该相变再加热温度为GeV标度。
2023-12-15 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Cosmic Simulations of Axion String-Wall Networks: Probing Dark Matter and Gravitational Waves for Discovery
本研究通过三维晶格模拟早期宇宙轴子弦-壁网络,更新轴子暗物质遗迹丰度,分析不同情形下的引力波谱特征,得出QCD轴子引力波不可探测、类轴子粒子在特定质量范围对应纳赫兹至毫赫兹频段存在可探测引力波信号的结论。
2024-10-10 astro-ph.CO hep-lat hep-ph
Observing Invisible Axions with Gravitational Waves
如果与轴子相关的佩切-奎因对称性在暴胀后得以恢复,轴子弦将不可避免地对随机引力波背景产生贡献。结合有效场论分析与数值模拟,我们表明,由此产生的引力波频谱具有对数偏差的标度不变形式的振幅,是显着增强,在低频率。因此,一个超轻的类轴子粒子,其衰变常数大于$10^{14}~{\rm GeV}$,质量在$10^{-18}~{\rm eV}$和$10^{-28}~{\rm eV}$之间,会导致可观测到的引力波谱,并且与暗物质过度产生、等曲率和暗辐射对后暴胀情景的约束是相容的。由于频谱在很宽的频率范围内延伸,因此所产生的信号可以通过多次实验检测到。我们描述了直接的方法,在这种衰变常数膨胀后,可以恢复Peccei-Quinn对称性。根据我们的结果,我们还评论了最近可能的NANOgrav信号。
2021-01-26 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Toward a Unified Axion Cosmology
Research Center for Nuclear Physics (RCNP) Osaka University(大阪大学核物理研究中心)
本文提出统一轴子框架,连接大统一理论、类轴子粒子与宇宙学,利用多轴子系统为暗物质、早期黑洞及解决哈勃张力提供所需能标。
2026-08-25 hep-ph
Challenges in Interpreting the NANOGrav 15-Year Data Set as Early Universe Gravitational Waves Produced by ALP Induced Instability
本文研究了NANOGrav 15年数据集的随机引力波背景可能源于ALP诱导暗规范场快子不稳定性,发现新数据倾向更大轴子质量参数空间,但受$ΔN_{\rm eff}$和暗物质过量约束,该机制对信号的贡献上限仅为1%。
2024-03-27 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Axion-like Universal Gravitational Wave Interpretation of Pulsar Timing Array Data
该研究提出类轴子粒子孤子振荡子产生的普适引力波背景可解释NANOGrav 15年脉冲星计时阵列数据,且避免原初黑洞过度产生,并指出数据偏好无强相互作用或聚集的孤子模型,未来罗曼望远镜观测可区分不同孤子情景。
2025-01-27 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Proposed Search for a wind of Axion-like-particles using the Gravitational Wave Interferometers
如果存在ALP,则当光穿过存在ALP场的区域时,光的折射率将被修改。我们建议测量光的折射率及其角度依赖性,因为地球旋转相对于ALP风的方向。LIGO干涉仪对在两臂中循环的光的折射率的差异很敏感,并且在2006年2月至2007年7月的S5运行期间记录了这种差异。它们部分是由于水平潮汐梯度,当它们与其中一个臂对齐时。此外,如图1所示,在地球轨道频率的两倍处观察到非常强的调制。如果两个臂之间的折射率差取决于光传播矢量与ALP风的方向之间的角度,则可以理解这一点。我们给出了作为地球运动函数的数据,并讨论了观测折射率的大小,n-1 ~ 10 e-20。
2022-03-17 hep-ph physics.gen-ph
Small-instanton effects in an atlas of KSVZ axion models
School of Physics, Nankai University(南开大学物理学院)
该研究分析KSVZ轴子模型中类矢量夸克的小瞬子对轴子势的贡献,修正了轴子质量与耦合的标准QCD关系,为轴子搜索提供新参数空间。
2026-08-11 hep-ph hep-th