Extreme Axionen enthüllt: Ein neuartiger Fluidansatz für die kosmologische Modellierung - Zusammenfassung und Einführung

Linktabelle

• Zusammenfassung und Einleitung
• Methoden
• Phänomenologie
• Diskussion und zukünftige Arbeit
• Abschluss
• Danksagungen und Referenzen

ABSTRAKT

1. EINLEITUNG

Axionähnliche Teilchen (ALPs) sind eine breite Klasse von Kandidaten für Dunkle-Materie-Teilchen (DM), die sowohl eine starke theoretische Begründung als auch eine Vielzahl potenziell beobachtbarer Signaturen besitzen. Während das traditionelle Axion der Quantenchromodynamik (QCD) ein Pseudo-Nambu-Goldstone-Boson ist, das aus einer gebrochenen Peccei-Quinn-Symmetrie entsteht (Peccei & Quinn 1977), können ALPs allgemeiner aus gebrochenen Symmetrien entstehen und entstehen auf natürliche Weise aus einer Vielzahl von Stringtheorien als Ergebnis kompaktifizierter höherer Dimensionen, was sie zu einem gut motivierten Kandidaten für DM-Teilchen macht (Dine & Fischler 1983; Preskill et al. 1983; Abbott & Sikivie 1983; Svrcek & Witten 2006; Duffy & van Bibber 2009; Arvanitaki et al. 2010; Marsh 2016; Adams et al. 2022). In dieser Arbeit verwenden wir die Begriffe Axion und ALP synonym zur Bezeichnung dieser breiten Klasse von DM-Kandidaten mit geringer Masse für das Pseudo-Nambu-Goldstone-Boson.

Es wurden einige Arbeiten durchgeführt, um die Entwicklung des Axionenfelds mit diesen extremen Startwinkeln zu modellieren, wie etwa die Arbeiten von Cedeno et al. ˜ (2017); Zhang & Chiueh (2017b); Leong et al. (2019); Zhang & Chiueh (2017a). Die schnell oszillierende Natur dieser Axionenfelder (sowohl auf Hintergrund- als auch auf Störungsebene) erfordert jedoch eine extrem hohe zeitliche Auflösung für die Berechnungen, was lange Rechenzeiten für eine Brute-Force-Lösung erfordert Zhang & Chiueh (2017b,a). Dies macht wiederholte Schätzungen der Axionenentwicklung, wie sie für ein Markov-Chain-Monte-Carlo (MCMC) oder eine andere Wahrscheinlichkeitssamplermethode erforderlich sind, unerschwinglich teuer.

In dieser Arbeit stellen wir eine neuartige Methode vor, um das Verhalten dieser extremen Axionen als kosmologische Flüssigkeit effizient und genau zu modellieren. Wir folgen der Struktur des Standard-Axion-Modellierungscodes axionCAMB, der in Hlozek et al. ˇ (2015) ausführlicher erläutert wird. Wir implementieren eine Reihe von Innovationen und Verbesserungen, um mit axionCAMB Vorhersagen für kosmologische Observablen wie die lineare MPS zu berechnen. Diese Innovationen, die in Abschnitt 2 ausführlicher beschrieben werden, umfassen eine Umstrukturierung der Anfangsbedingungen und eine neuartige effektive Schallgeschwindigkeit der extremen Axionflüssigkeit. All diese Innovationen reduzieren die Laufzeit zur Modellierung extremer Axionen auf etwa 7 Sekunden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, Beobachtungsbeschränkungen für extreme Axionmodelle mit höherdimensionalen MCMC-Algorithmen festzulegen, die Zehntausende von Aufrufen des Axion-Evolutionscodes erfordern.