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極限アクシオンの解明: 宇宙論モデリングのための新しい流体アプローチ - 概要と序文

に Cosmological thinking: time, space and universal causation 3m2024/05/20

長すぎる; 読むには

この論文では、研究者らは極限アクシオンを紹介し、特に Ly-α フォレスト測定における宇宙論の小規模構造への影響について調査しています。

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この論文はCC 4.0ライセンスの下でarxivで公開されています。

著者:

（１）ハリソン・ウィンチ、トロント大学天文学・天体物理学部およびトロント大学ダンラップ天文学・天体物理学研究所

（２）トロント大学天文学・天体物理学部およびトロント大学ダンラップ天文学・天体物理学研究所のRENEE´ HLOZEK氏

（３）デイビッド・J・マーシュ、ロンドン大学キングス・カレッジ、理論粒子物理学および宇宙論

（4）ダニエル・グリン、ハバーフォード大学

（５）KEIR K. ROGERS、トロント大学ダンラップ天文学・天体物理学研究所

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抽象的な

1. はじめに

アクシオンのような粒子 (ALP) は、強力な理論的根拠と、潜在的に観測可能なさまざまな特徴の両方を備えた、暗黒物質 (DM) 粒子候補の広範なクラスです。従来の量子色力学 (QCD) アクシオンは、ペッチェイ-クイン対称性の破れから生じる擬似南部-ゴールドストーン粒子である (Peccei & Quinn 1977) が、ALP はより一般的には対称性の破れから生じ、コンパクト化された高次元の結果としてさまざまな弦理論から自然に生成されるため、DM 粒子の候補として十分に説得力のあるものである (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)。この研究全体を通して、低質量擬似南部ゴールドストーンボソン DM 候補のこの広範なクラスを指すために、アクシオンと ALP を同じ意味で使用します。

これらの極端な開始角度でアクシオン場の進化をモデル化する研究がいくつか行われており、たとえば、Cedeno et al. ˜ (2017); Zhang & Chiueh (2017b); Leong et al. (2019); Zhang & Chiueh (2017a) の研究などがあります。ただし、これらのアクシオン場は (背景レベルと摂動レベルの両方で) 急速に振動する性質があるため、計算には非常に高い時間分解能が必要となり、力ずくの解法である Zhang & Chiueh (2017b,a) には長い計算時間が必要になります。このため、マルコフ連鎖モンテカルロ (MCMC) やその他の尤度サンプラー法に必要な種類のアクシオン進化の繰り返し推定を実行するには、法外なコストがかかります。

本研究では、これらの極限アクシオンの挙動を宇宙流体として効率的かつ正確にモデル化する新しい方法を紹介します。Hlozek et al. ˇ (2015) で詳しく説明されている、通常のアクシオンモデリングコード axionCAMB の構造に従います。線形 MPS などの宇宙観測量の予測を計算する axionCAMB に、いくつかの革新と改良を実装します。セクション 2 で詳しく説明するこれらの革新には、初期条件の再構築と、極限アクシオン流体の新しい有効音速が含まれます。これらの革新はすべて、極限アクシオンをモデル化する実行時間を約 7 秒に短縮します。これにより、アクシオン進化コードを何万回も呼び出す必要がある高次元 MCMC アルゴリズムを使用して、極限アクシオンモデルに観測上の制約を課す新しい機会が開かれます。