An Ultralight Axion in Supersymmetry and Strings and Cosmology at Small Scales
讨论了在超重力和弦中产生质量为$\sim 10^{-21}-10^{-22}$ eV的超轻轴子的动力学机制。这种质量的超轻粒子为暗物质提供了一个候选者，它可能在$10\, {\rm kpc}$或更小的尺度上为宇宙学发挥作用。一个有效的轴子质量算子方法为超轻轴子模型提供了一个一般框架，在一种情况下，将尺度$10^{-21}-10^{-22}$ eV恢复为电弱尺度乘以具有$O(1)$威尔逊系数的层次的平方。我们讨论了几类模型实现这个框架，可以产生必要的大小的超轻轴子。在一类超对称模型中，超轻轴子是由类瞬子效应产生的。在第二类高维运营商涉及耦合的希格斯，标准模型单线态，和轴子领域自然导致超轻轴子。此外，对于所考虑的模型类，超轻尺度和弱尺度之间的层次结构得以维持。我们还讨论了一个超轻的规模内字符串为基础的模型的生成。在这里，它表明，在单模KKLT模稳定计划的超轻轴子将需要一个超低的弱标度。然而，在大体积场景中，轴子尺度和弱尺度之间的期望层次是实现的。本文讨论了弦框架内希格斯场与瞬子耦合的一般分析，并指出实现这种耦合的必要条件是瞬子存在矢量零模。这些模型的一些唯象方面进行了讨论。
2017-03-22 astro-ph.CO astro-ph.HE gr-qc
Core-halo mass relation of ultralight axion dark matter from merger history
在超轻轴子暗物质的结构形成的背景下，我们提供了一个替代的解释孤子核心和它们的主机晕在数值模拟中观察到的质量关系。我们的论点是完全基于二进制核心的主要合并过程中发生的质量增益，并在很大程度上独立于初始的核心晕质量关系分配给主机，刚刚崩溃。我们发现晕质量$M_h$和相应的核心质量$M_c$，$M_c\propto M_h^{2β-1}$，其中$(1-β)$是核心质量损失分数之间的关系。在随机合并树的核心群众的演变，我们发现我们的模型的经验证据。我们的结果是有用的统计模型的暗物质核心的星系及其子结构的性质在轴子暗物质宇宙学的影响。
2017-02-14 astro-ph.CO astro-ph.GA gr-qc
Imprints of ultralight axions on the gravitational wave and pulsar timing measurement
该研究针对超轻类轴子这一暗物质候选者，分析其黑洞超辐射云耗散对中子星-黑洞双星引力波形的影响，对比相关效应并探讨现有与未来空间引力波探测的约束及可探测性。
2023-12-19 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Evolution of perturbation and power spectrum in a two-component ultralight axionic universe
研究了双分量超轻轴子宇宙中宇宙微扰的演化。我们提出了第一个频谱计算的扰动多组分宇宙。由轻极端轴子和自由大质量粒子组成的特殊情况为形成非常高红移的大质量星系提供了可能性，这些星系通常需要容纳大质量的早期类星体。我们的计算保留了单个轴子组件的扰动速度信息，为未来轴子暗物质模拟设置初始条件开辟了新的途径。
2021-05-14 astro-ph.CO
Simulations of multi-field ultralight axion-like dark matter
本研究修改UltraDark.jl代码，首次开展含自相互作用与场间相互作用的双场超轻类轴子暗物质三维模拟，探究了孤子动力学及不同种类孤子碰撞的特性，揭示了多成分、有相互作用情形与单场无相互作用情形的差异。
2023-03-15 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological Tension of Ultralight Axion Dark Matter and its Solutions
许多提议和正在进行的实验都在寻找质量接近小尺度结构（${\cal O} ( 10 ^{ - 21 } {\rm eV} ) $）极限的轴子暗物质。我们认为，这些模型的后期宇宙宇宙学，表明要求轴子有一个物质的功率谱相匹配的冷暗物质约束的轴子耦合到可见光扇区的大小。将这些限制与当前和未来的实验努力进行比较，我们发现许多搜索需要与标准模型场具有异常大耦合的轴子，而与轴子在早期宇宙中的分布无关。我们调查的机制，可以减轻的界限，即，引入大的费用，各种形式的动力学混合，发条结构，并施加离散对称性。我们为每种情况提供了一个明确的模型，并探讨其现象和可行性，以产生可检测的超轻轴子暗物质。
2021-01-08 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Unbiased constraints on ultralight axion mass from dwarf spheroidal galaxies
有人建议，矮球状星系（dSphs）的内部动力学可以用来测试是否超轻轴子与$m_a\sim 10^{-22}\text{eV}$是一个首选的暗物质候选人。然而，与理论预测的比较往往是不确定的，原因很简单，虽然大多数宇宙学模型只考虑暗物质，但人们只观察到重子。在这里，我们使用现实的银河系dSph的运动学模拟数据目录表明，“质量各向异性简并”在牛仔裤方程导致有偏见的界限未知的暗物质晕配置文件的星系中的轴子质量。在具有多个化学动力学成分的星系中，这种偏差可以通过模拟每个子群中的质量来部分消除。然而，模拟数据的分析表明，轴子质量的最小偏差的限制直接从拟合的各个化学动力学组件的光度平均速度色散的结果。将我们的分析应用于两个dSph的已报道的恒星子组件，天炉座和玉夫座，并假设晕轮廓没有受到重子的作用，分别得到核心半径$r_{c}>1.5$ kpc和$r_c> 1.2$ kpc，以及$m_a<0.4\times 10^{-22}\text{eV}$在97.5%的置信度。这些界限是在紧张局势与观测卫星的数量来自简单的（但保守的）估计的subhalo质量函数在银河系类星系。我们将讨论重子反馈如何影响我们的结果，以及如此小的轴子质量对宇宙结构增长的影响。
2017-08-21 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Accurate effective fluid approximation for ultralight axions
超轻轴子在理论上是有趣的和现象学上丰富的暗扇区候选者，但由于它们的快速振荡，很难在宇宙学时间尺度上跟踪它们。我们通过开发一种新的方法来解决这个问题，以有效和准确地进化它们。我们首先构建一个确切的有效流体，在后期匹配的轴子，但在一个简单的方式演变。然后，我们用精心选择的状态方程和声速来近似这种演化。与我们的计划，我们发现，我们可以获得subpercent精度的线性理论抑制的轴子密度波动相对于冷暗物质，甚至没有跟踪一个完整的振荡的轴子场。我们用我们的技术来测试其他的近似方案，并提供一个拟合公式的线性理论中的物质功率谱的传递函数在轴子模型。在现有的宇宙学轴子代码中实现我们的方法是简单的，将有助于释放高精度下一代实验的潜力。
2022-06-24 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Detecting ultralight axions from multifrequency observations of neutral hydrogen intensity mapping
本研究探讨了超轻轴子对再电离后中性氢信号的影响，揭示了其在不同质量范围内的暗物质或暗能量特性，并利用未来强度映射巡天的角相关函数探索了暗能量、中微子与ULAs之间的参数空间及简并性。
2024-11-12 astro-ph.CO hep-ph
Enhancing Constraints on Ultralight Axion Dark Matter from Gravitational Capture
University of California Santa Cruz（加州大学圣克鲁兹分校）；Princeton University（普林斯顿大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；The University of Tokyo（东京大学）
该研究利用太阳引力捕获超轻轴子产生的玻色增强效应，显著放大局部暗物质密度，并据此更新轴子-光子耦合的实验限制与未来预测。
2026-10-01 astro-ph.CO hep-ph
New generation low-energy probes for ultralight axion and scalar dark matter
我们提出了一个简要的概述，新一代的高精度实验室和天体物理测量，以寻找超轻（亚电子伏）轴子，轴子类赝标量和标量暗物质，形成一个相干凝聚或拓扑缺陷（孤子）。在这些新的探测方法中，所寻求的效应在暗物质和普通物质之间的相互作用常数中是线性的，这与传统的暗物质搜索形成鲜明对比，在传统的搜索中，所寻求的效应在潜在的相互作用常数（非常小）中是二次或更高阶的。
2015-06-28 astro-ph.CO hep-ph nucl-th
Constraints on axion-like ultralight dark matter from observations of the HL Tauri protoplanetary disk
本文利用HL Tauri原行星盘的极化观测未发现极化角变化，约束了类轴子超轻暗物质的质量与光子耦合。
2025-05-01 astro-ph.CO hep-ph
Dynamical dark energy from an ultralight axion
针对DES观测到的暗能量状态方程偏离宇宙学常数，提出超轻轴子模型，其质量约2×10^-33 eV，可解释w≥-1且偏好负宇宙学常数，并给出简化公式便于拟合。
2025-06-20 astro-ph.CO 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
Non-sphericity of ultralight axion dark matter haloes in the Galactic dwarf spheroidal galaxies
超轻轴子暗物质是解决小尺度问题，特别是核尖点问题的可能方案之一。这是因为暗物质可以在所有暗物质晕中产生一个中心孤子核心，这是由于德布罗意波长以下的量子压力对抗重力，这在轴子质量范围为$\sim10^{-22}$ eV的天体物理尺度上变得明显。在这项工作中，我们应用我们的非球形动力学模型的运动学数据的8个经典矮椭球体（dSphs），以获得更可靠和现实的限制，对中微子质量。这是由于dSphs的光分布不是球形的，也不是暗物质模拟预测的暗物质晕的形状。与以往的球形质量模型下的暗暗物质研究相比，由于非球形度的不确定性，我们的结果比那些约束条件更宽松。另一方面，值得注意的是，我们发现dSphs更喜欢有一个扁平的暗物质晕，而不是一个球形的，特别是天龙座喜欢一个强烈拉长的暗物质晕天真地假设一个孤子核心的配置文件。此外，我们随之而来的非球形核心的配置文件是更平坦的比数值预测的基础上的暗物质，即使仍然有不确定性的估计暗物质晕结构。为了减轻这种差异，可能需要进一步了解小质量尺度上的重子和/或重暗物质物理。
2019-12-04 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Decay of Ultralight Axion Condensates
轴子粒子可以形成宏观凝聚体，其大小可以是银河系规模的模型与非常小的轴子质量$m\sim10^{-22}$ eV，有时被称为模糊暗物质。由于轴子的自相互作用耦合很弱，许多对这些凝聚体的分析都是在无相互作用极限下进行的。我们在这里调查如何某些结果的变化时，包括这些相互作用，发现一个减少的最大质量和修改的质量半径关系。此外，这些凝聚体通常不稳定，通过数量变化的相互作用而衰变。我们分析了星系大小的轴子状粒子凝聚体的稳定性，并绘制了作为结合能参数的函数的稳定配置的参数空间。我们发现模糊暗物质凝聚体的大小有一个很强的下限，这种凝聚体是稳定的，可以衰变，其寿命比宇宙的年龄还要长。
2018-02-20 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on ultralight axions, vector gauge bosons, and unparticles from geodetic and frame-dragging measurements
大地测量和坐标系拖曳效应是地球附近时空曲率的直接结果，可以从重力探测器B（GP-B）卫星进行探测。卫星的结果与爱因斯坦的广义相对论结果相当吻合。测量地球附近时空曲率的卫星陀螺仪含有大量的电子和核子。超轻轴子、矢量规范玻色子和非粒子可以通过不同的自旋相关和自旋无关算符与这些电子和核子相互作用，并改变陀螺仪的漂移率。这些超轻粒子中的一些可以表现为一些黑暗扇区或地球与陀螺仪之间的长距离力，或者它们可以表现为背景振荡的暗物质场，或者两者兼而有之。这些超轻粒子可以为陀螺仪提供额外的进动，限制在不大于GP-B测量的不确定性。通过与实验结果的比较，得到了不同算子耦合的上界。
2022-11-06 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Planck Data and Ultralight Axions
我们研究了光子-轴子混合对CMB的影响。我们表明，如果有非常undersense区域之间的我们和最后的散射表面，其中包含相干磁场（其强度可以是数量级弱于当前的界限），然后光子轴子混合可以引起可观察到的偏差的CMB频谱。具体来说，我们表明，混合可以引起非热点的CMB天空。作为一个例子，我们考虑众所周知的CMB冷点，根据普朗克数据有一个弱的扭曲，从一个黑体光谱，可以通过我们的模型。虽然这种对冷点区域非热性的解释相当有趣，但光子-轴子振荡并不能解释冷点本身的温度。尽管如此，我们证明了可能的敏感性的CMB超轻轴子，可以利用观察员。
2014-05-07 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Constraining Ultralight Axions with Galaxy Surveys
超轻轴子和其他玻色子是暗物质候选者，存在于标准模型之外的许多高能物理理论中。特别是，弦轴向宇宙假设存在多达$\mathcal{O}(100)$的轻标量玻色子构成暗扇区。考虑到混合物的轴子和冷暗物质，我们得到的轴子遗迹密度$Ω_a h^2 < 0.004$的质量$10^{-31}\;\mathrm{eV}\leq m_a \leq 10^{-26}\;\mathrm{eV}$的轴子在95%的置信度。我们还提高了现有的限制超过4.5和2.1倍的$10^{-25}$ eV和$10^{-32}$ eV的轴子质量，分别。我们使用的傅立叶空间星系聚类统计的重子振荡光谱调查（BOSS），并展示了星系调查如何打破重要的退化轴子参数空间相比，宇宙微波背景（CMB）。通过制作模拟星系表，验证了大尺度结构方法的有效场论对混合超轻轴子暗物质的有效性，并在星系四极子中发现了各向异性的超轻轴子特征.我们还观察到的线性星系偏差的增强，从1.8到2.4时，允许5%的暗物质组成的$10^{-28}$ eV的轴子在我们的模拟。最后，我们开发了一个增强的插值方案，允许快速计算的轴子贡献的线性物质的功率谱，导致70%的计算成本减少了完整的蒙特卡罗马尔可夫链分析。
2021-06-11 astro-ph.CO
Improved Mixed Dark Matter Halo Model for Ultralight Axions
提出了一个完整的混合暗物质晕模型，该模型由冷暗物质（CDM）和超轻类轴子粒子（ULA）组成。我们的模型将ULAs视为CDM的有偏见的示踪剂，类似于大质量中微子和中性氢的治疗。该模型考虑了CDM主机晕周围ULA的聚类，并完全模拟了两个组件的互相关性。模型的输入数据包括孤子的Jeans尺度和孤子密度分布。我们的模型可以用来预测的物质功率谱，$P(k)$，在非线性尺度上的ULAs在整个质量范围$10^{-33}\text{ eV}\leq m\leq 10^{-21}\text{ eV}$的子群体，并可以校准对未来的混合DM模拟，以提高其准确性。混合DM晕模型还允许我们评估各种近似的重要性。
2023-02-24 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological particle-in-cell simulations with ultralight axion dark matter
我们研究了超轻轴子暗物质或“模糊暗物质”（FDM）的宇宙结构形成，使用粒子网格方案来解释薛定谔-泊松方程的马德隆公式中产生的量子压力。子能级能量守恒和正确的线性行为证明。尽管该代码产生了与薛定谔方程的直接模拟相同的核心晕轮廓，但它没有再现详细的干涉图案。在FDM初始条件下的宇宙学模拟中，我们发现在量子Jeans长度附近的功率谱中，与使用具有相同初始条件的标准N体代码相比，最大相对差为O（$10\%$）。这表明，在对由超轻轴子组成的暗物质成分进行精确约束时，不能忽略非线性结构形成过程中量子压力的影响。
2017-01-02 astro-ph.CO
A Ramsey Neutron-Beam Experiment to Search for Ultralight Axion Dark Matter at the ESS
本研究提出在欧洲散裂源HIBEAM束线开展新型Ramsey中子束实验，利用轴子与中子自旋的耦合搜寻超轻轴子暗物质，预计可将相关耦合的探测灵敏度较现有水平提升2-3个数量级。
2024-05-04 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
A Fast and Accurate Implementation of the Effective Fluid Approximation for Ultralight Axions
在CAMB中实现了超轻轴子的有效流体近似，达到亚百分比精度，并通过MCMC分析改进了对轴子质量和丰度的约束。
2025-01-23 astro-ph.CO hep-ph
Stochastic Properties of Ultralight Scalar Field Gradients
超轻的类轴子粒子是动机良好的暗物质候选者，是许多直接探测工作的目标。在太阳系附近，这种粒子可以被视为振荡的标量场。银河系的速度色散决定了一个约为10^6振荡的相干时间，超过这个时间，轴子场的振幅将随机波动。任何对轴子直接探测实验数据的分析都必须仔细考虑这种随机行为，以正确解释结果。这对于那些对轴子场的梯度敏感的实验尤其如此，这些实验无法在许多相干时间内收集数据。事实上，除了幅度之外，轴子场梯度的方向也随机波动。我们提出了第一个完整的随机处理的梯度的轴子场，包括多个计算效率高的方法进行基于似然的数据分析，它可以应用于任何轴子信号，无论相干时间。此外，我们还证明了忽略轴子场梯度的随机行为可能导致无法发现真正的轴子信号。
2021-07-21 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Ultralight Repulsive Dark Matter and BEC
超轻纯量暗物质的质量等于或低于eV标度，并且由于排斥性自相互作用而产生压力，这些物质可以在早期宇宙中形成玻色-爱因斯坦凝聚体，或许在星系中也是如此。它被认为是一个可能的解决方案的尖点/核心问题，甚至解释MOND现象。本文从粒子物理的角度出发，对超轻标量暗物质可能存在的自相互作用进行了研究。为了保护它的质量，标量暗物质被认为是一种伪南武-戈德斯通玻色子（pNGB）。许多具有不同势能的pNGB模型，如QCD轴子和量子介子，都能产生吸引的自相互作用。然而，如果一个轴子是一个五维规范U（1）对称的残余，它的自相互作用可能是排斥的，只要贡献给它的势的五维物质的质量和电荷满足某些约束。集体对称性破缺也可能导致排斥性的自相互作用，但其强度太大，被子弹团约束排除在外。我还讨论了宇宙学和天体物理学的超轻排斥暗物质的参数化粒子物理学的考虑。
2016-04-15 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Alleviating both $H_0$ and $S_8$ tensions: early dark energy lifts the CMB-lockdown on ultralight axion
在标准的$Λ$ CDM模型中，质量为$\mathcal{O}( 10^{-26}\text{eV})$的超轻轴子的存在不被CMB观测所支持.我们表明，早期暗能量（EDE）的包含将解除CMB对这种暗物质的锁定，并可能超越冷暗物质的其他形式的暗物质。通过进行蒙特卡罗马尔可夫链分析，发现与$Λ$ CDM相反，AdS-EDE宇宙学（在复合周围具有反德西特相）现在允许质量为$10^{-26}$ eV的轴子的存在，并预测我们宇宙中物质的$6\%$是这样的电子，这也有助于缓解EDE中的$S_8$张力。
2023-02-14 astro-ph.CO hep-th
Tidal disruption of solitons in self-interacting ultralight axion dark matter
超轻轴子（ULAs）是一种很有前途的暗物质候选者，相对于冷的无碰撞暗物质（CDM）范式，它对非线性尺度结构的形成和演化具有独特的影响。然而，大多数研究的结构形成的非线性模型不包括自相互作用的影响，这是预计将出现的一般。本文研究了孤子的自相互作用强度和符号对孤子潮汐演化的影响。具体而言，使用伪谱求解器UltraDark.jl，我们模拟了自相互作用孤子核心的潮汐破裂，因为它们围绕$10^{11}~M_{\mathrm{\odot}}$ Navarro-Frenk-White CDM主机晕势的轨道参数范围，假设基准粒子质量为$10^{-22}\mathrm{eV}$。我们发现，排斥（吸引）的自相互作用显着加速（减速）孤子潮汐破裂。我们还确定了自相互作用强度和孤子质量之间的简并性，确定了潮汐破坏的效率，从而在$\sim 50\%$水平上影响破坏时间尺度的变化，从$λ=-10^{-92}$到$λ=10^{-92}$的无量纲自耦合。
2022-07-06 astro-ph.CO hep-ph
Search for Ultralight Axion Dark Matter with a Levitated Ferromagnetic Torsional Oscillator
School of Physics, Hefei University of Technology（合肥工业大学物理学院）；National Laboratory of Solid State Microstructures and Department of Physics, Nanjing University（南京大学固体微结构物理国家重点实验室和物理系）
利用悬浮铁磁扭转振荡器探测超轻轴子暗物质，通过高真空和磁屏蔽获得18000秒数据，设定90%置信度限，未来计划通过优化提升灵敏度。
2026-01-08 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Nonminimally coupled ultralight axions as cold dark matter
我们考虑一个非最小耦合标量场作为一个潜在的冷暗物质候选者。这些模型是基于最小耦合标量场的超轻轴子模型的自然扩展。这种超轻的标量场是由弦论激发的，特别是在轴向宇宙场景的背景下进行了研究。对于非最小耦合场，标量场能量密度在早期表现为辐射，这产生了原始核合成理论中耦合常数$ξ\lesssim 10$的限制。在绝热初始条件下，非最小耦合场的一阶扰动导致引力势在大尺度上衰减。宇宙学数据与理论物质功率谱的比较产生了以下对耦合常数的约束：$ξ\lesssim 0.01$。我们还考虑等曲率模式在我们的分析。我们认为，绝热和等曲率初始条件的非最小耦合标量场的混合可能会允许一个获得通常的绝热CDM功率谱。
2022-06-10 astro-ph.CO
Oscillating gravitational potential due to ultralight axion: linear theory
在康普顿波长小于视界尺度的假设下，导出了超轻轴子作为宇宙暗物质引起的振荡引力势。一个新的振荡项被发现占主导地位的规模大于量子牛仔尺度上的先前已知的。在宇宙学的线性微扰的背景下，这个新的术语可能在未来的观测中更相关。导出了零剪切规范中密度微扰的量子应力和引力势的量子振荡。结果表明，相对论分析中的轴子流体与相对论零压流体和牛顿零压流体有很大的不同，只在密度微扰中对应于牛顿流体。这种一致性要求相对论分析在大于康普顿波长的尺度上有效。
2021-12-07 astro-ph.CO gr-qc hep-th
Cosmological signatures of ultralight dark matter with an axionlike potential
现实轴子场势的非线性在宇宙动力学中可能起着重要的作用。本文用玻尔兹曼程序CLASS求解了轴子场的背景和线性微扰演化，并与CDM和自由轴子场的结果进行了比较。我们的结论是，有一个轻微的延迟在发病的轴子场振荡时，在轴子潜在的非线性考虑。此外，我们确定了一个快子不稳定性的线性模式，导致在小尺度的功率谱中存在一个凸点。一些评论是反过来的快子不稳定性的真正来源，如何轴子的潜在的参数可以约束的Ly- $α$的意见，和后果的稳定性的自引力物体的轴子。
2017-10-02 astro-ph.CO gr-qc
The SRG/eROSITA all-sky survey: Constraints on Ultra-light Axion Dark Matter through Galaxy Cluster Number Counts
Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics（马克斯·普朗克地外物理研究所）；Universität Innsbruck, Institut für Astro- und Teilchenphysik（因斯布鲁克大学天体与粒子物理研究所）；INAF, Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio（意大利国家天体物理研究所空间科学与天文观测台）；Department of Physics and Astronomy, Stony Brook University（纽约州立大学石溪分校物理与天文学系）；Universität Hamburg, Hamburger Sternwarte（汉堡大学汉堡天文台）；Department of Physics, National Cheng Kung University（国立成功大学物理系）；IRAP, Université de Toulouse, CNRS, UPS, CNES（图卢兹大学宇宙射线与天体物理学研究所）
利用SRG/eROSITA首次全天空调查与弱引力透镜数据，研究超轻轴子在暗物质中的占比，发现新的约束结果。
2026-04-09 astro-ph.CO hep-ph
New astrophysical bounds on ultralight axionlike particles
受到普通冷暗物质（CDM）的预测和星系尺度观测之间的紧张关系的影响，质量为$10^{-22}~{\rm eV}$量级的超轻类轴子粒子（ULALP）被提出作为另一个CDM候选者。我们认为冷和碰撞的ULALP产生于早期宇宙的真空重新排列机制，构成了大部分的CDM。ULALP流体通常由经典场方程描述。然而，我们表明，像QCD轴子，ULALP热化引力自相互作用，并形成一个玻色-爱因斯坦凝聚体，量子现象。像QCD轴子一样，ULALP解释了暗物质焦散环的观测证据，因为它们热化并进入它们可用的最低能量状态。这是回转球体上的刚性旋转。通过研究ULALP对银盘星的加热效应以及银盘IRAS图中三角形特征观测到的焦散环厚度，我们分别得到了$10^{-23}$和$10^{-20}~{\rm eV}$阶ULALP质量的下限.
2017-03-01 astro-ph.CO
The cosmological evolution of ultralight axionlike scalar fields
我们研究了具有$V(ϕ) = m^2 f^2[1 - \cos(ϕ/f)]^n$形式势的超轻类轴子标量场的宇宙学演化，特别强调了它们的行为与相应的小$-ϕ$幂律近似的偏差，这些势是：$V(ϕ) \propto ϕ^{2n}$。我们表明，在慢滚制度，当$\dot ϕ^2/2 \ll V(ϕ)$，充分的势能产生一个更有趣的范围内的可能性的精髓比相应的幂律近似。对于快速振荡的标量场，我们导出了标量势的状态参数方程和振荡频率，并说明了它们如何偏离相应的幂律值。我们推导出状态方程参数的解析表达式，它比纯幂律近似更好地近似了λ值。
2020-10-06 astro-ph.CO gr-qc
Dark Matter as Ultralight Axion-Like particle in $E_6 \times U(1)_X$ GUT with QCD Axion
类轴子场是由普朗克尺度下一个或多个反常规范阿贝尔对称性的反常抵消机制自然产生的，它是从弦理论的无质量玻色子扇区中出现的一种二形式的反常抵消。这暗示了在场论水平上的格林-施瓦茨反常抵消机制的类比，其结果是一个或多个施图克尔伯格伪标量。在单一斯图克尔伯格赝标量$b$的情况下，早期宇宙在大统一尺度下相变时的真空错位为$b$的一个组成部分提供了一个小质量--由于周期势的瞬子抑制--表示为$χ$，并被称为“axi-Higgs”，这是一种物理上的轴子状粒子。轴-希格斯粒子通过Wess-Zumino项与规范扇区的耦合被普朗克质量所抑制，这保证了它的解耦，而它的失准角与$M_{GUT}$有关。我们建立了一个具有反常$U(1)$的规范$E_6\times U(1)$模型。它包含了一个自动的不可见的QCD轴子和一个超轻的axi-Higgs。模型中存在的不可见轴子解决了强CP问题，其质量在常规范围内，而可以充当暗物质的轴子-希格斯粒子足够轻（$10^{-22} \textrm{ eV} < m_χ < 10^{-20} \textrm{ eV}$），可以解决其他冷暗物质候选者所面临的短距离问题。
2018-05-23 astro-ph.CO hep-ph hep-th
High-redshift, small-scale tests of ultralight axion dark matter using Hubble and Webb galaxy UV luminosities
本研究利用哈勃和韦布望远镜的星系紫外光度数据，结合宇宙微波背景观测，对超轻轴子暗物质的质量与占比设置了新的高红移小尺度限制，填补了此前的参数空白，为轴子暗物质研究提供了关键观测约束。
2025-03-20 astro-ph.CO astro-ph.GA
Inflationary Axion Isocurvature in the CMB across All Ultralight Masses
University of Chicago（芝加哥大学）；Haverford College（哈弗福德学院）
该研究扩展AxiECAMB的ETA方法，分析全超轻质量范围轴子等曲率扰动，给出解析公式与约束，指出特定质量区域的信号特征及共存窗口，或缓解S8张力。
2026-08-11 astro-ph.CO hep-ph
LC Circuits for the Direct Detection of Ultralight Dark Matter Candidates
产生超轻暗物质的宇宙学机制对玻色子暗物质候选者的本征宇称不敏感，但同样的量在直接探测实验中起着至关重要的作用。在超轻类轴子暗物质存在下对电动力学的修改是众所周知的，并且已被用于实现这种亚电子伏质量尺度暗物质的灵敏探针，并且对于隐藏光子暗物质也存在类似的研究。在这里，我们重新架构的修改电动力学的超轻暗物质的正本征宇称，重点是标量的情况下。特别是，我们表明，共振LC电路的轴子搜索可以修改，以检测标量暗物质粒子，通过利用大电场开发用于中子EDM实验。我们提出的实验装置可以改善以前的敏感搜索标量粒子从“光透过墙”的实验，探测标量光子耦合约三个数量级的小$1\times 10^{-11} - \,4\times 10^{-8}$ eV质量（$2\, {\rm kHz} - 10\,{ \rm MHz}$频率）范围内。
2021-09-16 astro-ph.CO hep-ph
Accurate method for ultralight axion CMB and matter power spectra
University of Chicago（芝加哥大学）；Haverford College（哈弗福德学院）
研究超轻轴子宇宙微波背景和物质功率谱的精确方法，在全宇宙学玻尔兹曼代码中实现技术扩展，覆盖\(10^{-33} \lesssim m/{\rm eV} \lesssim 10^{-18}\)范围，提升功率谱精度，或影响解决\(\Lambda\)CDM中张力的模型参数。
2026-07-28 astro-ph.CO hep-ph
Measuring Ultralight-Axion Coherence with Galaxy Polarization Correlations
The University of Tokyo（东京大学）
研究利用星系偏振旋转角的三维两点相关性测量超轻类轴子双折射场幅度及相干尺度，通过检测星系对相关性转折测特征动量尺度，幅度约束相关参数，对特定基准调查给出灵敏度等结果，提供了一种晚期探测方法。
2026-10-22 astro-ph.CO hep-ph
Ultralight DM bosons with an Axion-like potential: scale-dependent constraints revisited
一个被赋予三角势的标量场$ϕ$被认为扮演了暗物质的角色。对线性扰动的宇宙学演化的深入研究，以及与冷暗物质（CDM）和模糊暗物质（FDM）情况（具有二次势的标量场）的比较，揭示了由于类轴子势的非线性，大波数的质量功率谱的振幅增强。第一次，我们研究了物理量的尺度依赖性，如生长因子$D_k$，速度生长因子$f_k$，和$f_k σ_8$。我们发现，对于$z<10$，所有这些量恢复CDM演化，而对于高红移有一个明确的区别，每个模型（FDM的情况下，和轴子的潜力）取决于波数$k$和轴子的衰变参数的潜力以及。一个半分析晕质量函数也重新审视，发现一个抑制的数量低质量晕，在FDM的情况下，但由于非线性的类轴子潜在的方差和晕质量函数的幅度有一个小的增量。最后，我们通过使用普朗克合作2018和Lyman- $α$森林的数据，给出了对轴子质量和轴子衰变参数的约束。
2021-01-26 astro-ph.CO
Search for ultralight dark matter in the SuperMAG high-fidelity dataset
本研究在SuperMAG高保真数据集中搜寻超轻暗物质振荡磁场信号，填补了参数空间空白，未发现候选者，并设定了该质量范围内的领先直接约束。
2024-12-26 astro-ph.CO hep-ph
Constraining ultralight bosons in dwarf spheroidal galaxies with a radially varying anisotropy
本研究在波动暗物质模型框架下，采用径向变化的各向异性参数对8个银河系矮椭球星系做金斯分析以约束超轻玻色子质量，发现该假设无法消除与宇宙学结果的质量张力，支持轴宇宙预言的多质量轴子方案。
2023-12-12 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-th
Cosmological production of ultralight dark matter axions
质量为$m_a\sim 10^{-22}\,\textrm{eV}$的标量场的高密度低能激发可以代表宇宙的全部暗物质含量，并缓解小尺度上标准宇宙学场景中的一些紧张局势。这种{ \it模糊暗物质}成分通常被认为是物质扇区中新的类轴子粒子的结果，但为了简单起见，它通常被建模为一个简单的自由二次场。在本文中，我们考虑如何修改宇宙学约束时，瞬子势和温度依赖的质量的影响。目前的等曲率和张量边界证实，这个粒子应该形成之前的低尺度膨胀期与哈勃参数$H_I\lesssim 2.5\times 10^{12}\,\textrm{GeV}$，根据以前的自由场分析结束。轴子衰变常数$f_a$是确定轴子耦合的重要参数，它出现在瞬子势中，决定着遗迹的丰度、星系核对轴子辐射的稳定性以及模糊暗物质的直接搜索。如果轴子质量是$T$独立的，我们发现，$f_a\gtrsim 10^{16}\,\text{GeV}$是必要的，以达到所观察到的遗物密度没有微调的初始条件，而对于一个$T$依赖的情况下，这个界限可以降低一个数量级。然而，瞬子势中的非谐性，主要是一个$T$依赖的质量，可以延迟场振荡的发生，导致更大的物理抑制尺度的物质功率谱为一个固定的零温度轴子质量。这可能有利于一个字符串或意外的轴子出现在一个强耦合规范部门，如果这个模型需要提供大的星系晕核心，同时满足观测约束宇宙结构的形成。
2017-02-07 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Probing Extragalactic Ultralight Axion Dark Matter with Decade-Long Blazar Optical Polarimetry of 1ES 1959+650
Purple Mountain Observatory, Chinese Academy of Sciences（中国科学院紫金山天文台）；School of Astronomy and Space Sciences, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学天文与空间科学学院）
本文利用耀变体1ES 1959+650的十年光学偏振数据首次搜索类轴子暗物质诱导的偏振角周期振荡，未发现显著信号，并在广泛质量范围内对ALP-光子耦合常数给出严格上限，证明长期耀变体偏振测量是探测河外类轴子暗物质的有效互补手段。
2026-10-30 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Pulsar Polarization Array Limits on Ultralight Axion-like Dark Matter
利用脉冲星极化阵列数据，研究超轻轴子类暗物质的限制，通过贝叶斯分析框架检测其Chern-Simons耦合并确定质量范围。
2026-01-07 astro-ph.CO astro-ph.HE astro-ph.IM
Evolving Ultralight Scalars into Non-Linearity with Lagrangian Perturbation Theory
许多高能物理学的模型都认为宇宙学的暗区不仅仅由一个粒子组成，而是由一系列质量按几何分布的超轻标量粒子组成。为了研究低浓度超轻轴子（也称为模糊）暗物质的潜在特征，我们通过区分不同暗物质种类的轨迹来修改拉格朗日微扰理论（LPT）。我们进一步调整LPT包括量子压力的影响，这是必要的，以产生正确的初始条件，超轻轴子模拟。基于LPT，我们的修改后的计划是非常有效的大尺度上，它可以扩展到任意数量的粒子种类在非常小的计算成本。这允许在混合暗物质模型中计算自洽的初始条件。此外，我们发现，壳交叉延迟超轻粒子和从LPT提取的变形张量可以用来确定的范围内的红移和标度的模糊暗物质的马德隆形式主义是一个可靠的近似。
2020-04-17 astro-ph.CO
Ultralight Axial Dark Matter
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）；Perimeter Institute for Theoretical Physics（珀due理论物理研究所）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本文研究超轻轴矢量暗物质，通过其与费米子及光子的耦合增强自旋扭矩，并探讨实验探测途径，结果亦适用于弦理论中的Kalb-Ramond暗物质。
2026-09-11 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
An ultralight pseudoscalar boson
利用基本的离散对称性$\mathbb{Z}_N$，我们构造了一个两轴子模型，其中QCD轴子解决了强$CP$问题，而超轻轴子（UHT）则由$m_{\rm ULA}\approx 10^{-22}\text{ eV}$提供了暗物质（DM）的主要形式。这颗彗星足够轻，在宇宙学中可以从其结构形成的印记中检测到，并且可能解决冷DM的小尺度问题。在具有衰减常数$f_{\rm ULA}\sim 10^{17}\text{ GeV}$和$f_{\rm QCD}\sim 10^{11}\text{ GeV}$的结构中，必要的相对DM丰度在没有微调的情况下发生。实现这一点的示例模型有$N=24$，我们构建了一系列其他可能性。我们计算了标准模型的耦合，并讨论了直接检测的前景。QCD轴子可以在标准实验中通过$\vec{E}\cdot\vec{B}$和$G\tilde{G}$耦合被检测到。然而，在最简单的模型中，由于消失的电磁和颜色异常，量子色动力学的$G\tilde{G}$和电磁学的$\vec{E}\cdot\vec{B}$都具有相同的零耦合。该介子与强度为$g\propto 1/f_{\rm ULA}$的费米子耦合。这种耦合导致核子和电子相对于DM风的自旋进动，周期为$t\sim$月。目前的限制并不排除预测的耦合强度，我们的模型是在达到CASPEr风实验，使用核磁共振。
2016-01-28 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Improved constraints on ultralight axions using latest observations of the early and late Universe
利用CMB和BAO观测改进对超轻轴子的约束，获得新的上限并探索其在暗物质中的作用。
2025-11-24 astro-ph.CO
Axi-Higgs cosmology: Cosmic Microwave Background and cosmological tensions
早期宇宙中希格斯真空期望值（Higgs-VEV）升高的非正则宇宙学被认为是$Λ$ CDM制度内现有紧张局势的解决方案。我们最近提出了一个名为axi-Higgs的理论模型来探索这个框架。axi-Higgs模型的特征在于质量为$m_a \sim 10^{-29}$ eV的超轻轴子，其耦合到Higgs场，使得Higgs-VEV由轴子背景演化驱动。唯象地，axi-Higgs模型等价于$Λ$ CDM+ $m_e$ + $ω_a$，定义为具有电子质量变化和超轻轴子存在的$Λ$ CDM.本文利用Markov Chain Monte Carlo方法研究了axi-Higgs粒子的参数空间，并与$Λ$ CDM、只允许电子质量变化的$Λ$ CDM+ $m_e$和只允许超轻轴子存在的$Λ$ CDM+ $ω_a$进行了比较.结合宇宙微波背景、重子声学振荡、弱透镜宇宙剪切巡天的观测资料，我们发现了$H_0 = 69.4 \pm 1.3$ km/s/Mpc，它使哈勃张力降低到大约$2.4σ$。结合IA型超新星的观测数据和SH 0 ES的哈勃观测数据，我们发现了$H_0 = 71.34 \pm 0.96$ km/s/Mpc。这种Higgs-VEV驱动轴子的存在可能在不久的将来被原子钟和类星体光谱测量所检验。
2022-12-01 astro-ph.CO hep-ph
Electroweak Axion as the Fuzzy Dark Matter -- A Proposal for the Mixed Fuzzy and Cold Dark Matters
电弱轴子与质量为$m\simeq 10^{-20}$ -- $10^{-19}\,{\rm eV}$的模糊暗物质相同。该模型预测了暗物质的两种成分，一种是超轻物质，另一种是类似WIMP的物质。预言了模糊暗物质与光子之间的Chern-Simons型相互作用和质子的$B+L$破缺衰变。
2022-11-29 astro-ph.CO hep-ph
Astrophysical Searches and Constraints on Ultralight Bosonic Dark Matter
从暗物质确实存在并渗透整个宇宙的证据开始，可以估计其性质的各种界限。从宇宙微波背景和大尺度结构出发，总结了超轻玻色暗物质（UBDM）质量和宇宙密度的边界。考虑到星系形成和演化以及黑洞超辐射现象，这些边界被推广到更大的质量。然后，我们讨论了不同类别的UBDM紧凑对象，包括孤子/轴子星和miniclusters的形成。接下来，我们考虑天体物理约束的耦合UBDM的标准模型粒子，从恒星冷却（生产的UBDM）和间接搜索（衰变或转换的UBDM）。在整个过程中，有简短的讨论“提示和机会”在寻找UBDM在每个领域。
2021-06-16 astro-ph.CO astro-ph.GA hep-ph
Searching for Ultralight Dark Matter Conversion in Solar Corona using Low Frequency Array Data
本研究利用LOFAR望远镜观测数据搜寻日冕中超轻暗物质共振转化的单色射电信号，给出暗光子-光子动力学混合耦合及轴子-光子耦合的新上限，其中暗光子耦合约束较此前提升约一个数量级。
2024-01-31 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ex
