極限アクシオンの解明：議論と今後の取り組み

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4. 議論と今後の課題

銀河サーベイからの LSS 尤度や、レンズ効果、温度、偏光パワースペクトルの CMB 尤度との比較が最も簡単ですが、アクシオンに対する現在の最も厳しい制約は Ly-α フォレストの測定から得られます。これは、銀河サーベイや CMB よりもはるかに小さなスケールで MPS を調べることができるためです (Rogers & Peiris 2021)。ただし、極端なアクシオンの MPS 予測を Ly-α フォレストのデータと比較することはより困難です。小規模な非線形構造の流体力学的シミュレーションが必要であり、原理的には極端なアクシオンモデルの非線形動作に依存する可能性があるためです。この論文では、小規模構造の進化に CDM を仮定した Ly-α フォレストデータからの線形 MPS の推定値を使用しましたが、この方法は CDM が暗黒物質の大部分を占める低アクシオン密度領域でのみ有効です。極限アクシオンの非線形 Ly-α フォレストをモデル化する研究がいくつか行われてきましたが (Leong et al. 2019)、このシミュレーションは計算コストが高いです。理想的には、エミュレーターをトレーニングして Ly-α データの極限アクシオン予測を生成するのが最善のアプローチです。これは Rogers & Peiris (2021) で行われたものと同様です。これを私たちの修正した axionCAMB と組み合わせると、迅速な計算と Ly-α フォレスト データとの直接比較が可能になり、これらの極限アクシオン モデルの小規模な動作に関する最も有益な制約が得られます。さらに、Ly-α 観測量との直接比較により、Keck や VLT Lu et al. (1996); Irsiˇ c et al. ˇ (2017b) で行われたような、より高解像度の分光調査を使用できるようになります。

アクシオンの質量、密度分率、開始角度に対する正確な同時制約は、これまで定性的にしかアプローチされていなかった重要な問題、つまり、これらの極端なアクシオンモデルを機能させるために必要な微調整の程度に定量的に取り組むことになるでしょう。図 10 は、ピークに近いアクシオン開始角度で、10% 未満の差でデータとよく一致できることを示しています。Arvanitaki ら (2020) は、非常に早い時期にピーク近くでアクシオン場を開始できるモデルを提案しましたが、これらのモデルの妥当性は、必要な微調整の程度にかかっています。この必要な微調整の程度は、図 9、10、11 に示すように、アクシオンの質量と密度分率に依存し、他の宇宙論的パラメータにも依存する可能性があります。改良された axionCAMB を使用すると、さまざまなアクシオンおよび宇宙論パラメータの微調整に必要な程度の推定値を作成でき、π に近い開始角度を生成するこれらのモデルの妥当性を判断するのに役立ちます。

調査する価値のあるもう1つの領域は、これらの制約を、シモンズ天文台やCMB-S4などの将来のCMB実験による予測感度と比較することです（Hlozek et al. ˇ 2017; Lee et al. 2019; Dvorkin et al. 2022; Abazajian et al. 2022）。 Planckは低ℓでの温度についてはすでに宇宙変動の制限を受けていますが、より優れた偏光や高ℓデータを使用した実験によって大幅に改善される可能性があります（Aghanim et al. 2016）。 CMBレンズ効果は、さまざまなスケールでDM MPSを調べる機能も提供します（Rogers et al. 2023）。 CMBとMPSソースからの同時制約を実験することもできます。 MPS の直接プローブは、ダークエネルギーサーベイ (Dentler ら 2022 でバニラアクシオンモデルを制限するために使用)、ユークリッド (Amendola ら 2018)、JWST (Parashari & Laha 2023)、およびベラルービン天文台 (Mao ら 2022) など、極端なアクシオンモデルを制限するためにも使用できます。

最後に、標準的なコサイン形状を超えてポテンシャルを制約してみることもできます。アクシオンが 4 次、双曲コサイン、またはモノドロミック ポテンシャルを持つモデルが提案されています (Cembranos et al. 2018; Urena L ˜ opez ´ 2019;Jaeckel et al. 2017)。さらに、さまざまなポテンシャルを持つアクシオンのようなスカラー場が、ハッブル テンションを緩和できる可能性のある初期のダーク エネルギー コンポーネントとして提案されています (Kamionkowski & Riess 2022; Poulin et al. 2023)。ポテンシャル関数は汎用的に実装されているため、これらすべてのポテンシャルにおけるアクシオン摂動は、おそらく、修正された axionCAMB を使用してモデル化できます。唯一の要件は、粒子 DM 近似が後期に有効になるために、テストされるポテンシャルが小さな ϕ 値で 2 次式に単純化される必要があることです。