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揭秘极端轴子：一种用于宇宙学建模的新型流体方法 - 摘要和简介

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

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在本文中，研究人员引入了极端轴子，探讨了它们对宇宙学中小尺度结构的影响，特别是在Ly-α森林测量中的影响。

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该论文可在 arxiv 上根据 CC 4.0 许可获取。

作者：

（1） HARRISON WINCH，多伦多大学天文与天体物理系及多伦多大学邓拉普天文与天体物理研究所；

（2） RENEE´ HLOZEK，多伦多大学天文与天体物理系及多伦多大学邓拉普天文与天体物理研究所；

（3） DAVID JE MARSH，伦敦国王学院理论粒子物理学和宇宙学；

（4）丹尼尔·格林（哈弗福德学院）

（5） KEIR K. ROGERS，多伦多大学邓拉普天文与天体物理研究所

链接表

抽象的

1. 引言

轴子类粒子 (ALP) 是一类广泛的暗物质 (DM) 粒子候选者，它们既具有强大的理论依据，又具有各种可能可观察到的特征。虽然传统的量子色动力学 (QCD) 轴子是由破缺的佩切-奎因对称性产生的伪南部-戈德斯通玻色子 (Peccei & Quinn 1977)，但 ALP 可以更普遍地由破缺对称性产生，并且由于高维空间的紧致化，自然地由各种弦理论产生，这使它们成为一种有充分理由的 DM 粒子候选者 (Dine & Fischler 1983；Preskill 等人 1983；Abbott & Sikivie 1983；Svrcek & Witten 2006；Duffy & van Bibber 2009；Arvanitaki 等人 2010；Marsh 2016；Adams 等人 2022)。在整个工作过程中，我们将交替使用轴子和 ALP 来指代这一大类低质量伪南部-戈德斯通玻色子 DM 候选者。

一些研究已经完成了使用这些极端起始角度对轴子场的演化进行建模的工作，例如 Cedeno 等人（2017 年）；Zhang 和 Chiueh（2017b 年）；Leong 等人（2019 年）；Zhang 和 Chiueh（2017a 年）。然而，这些轴子场（无论是在背景水平还是在扰动水平）的快速振荡性质需要极高的计算时间分辨率，需要很长的计算时间才能得到强力解决方案 Zhang 和 Chiueh（2017b,a 年）。这使得对轴子演化的重复估计（马尔可夫链蒙特卡罗 (MCMC) 或其他似然采样方法所需的那种估计）的成本过高。

在这项工作中，我们提出了一种新方法，可以有效准确地模拟这些极端轴子作为宇宙流体的行为。我们遵循原始轴子建模代码 axionCAMB 的结构，该代码在 Hlozek et al. ˇ (2015) 中有更详细的解释。我们对 axionCAMB 计算宇宙可观测量（例如线性 MPS）的预测实施了许多创新和改进。这些创新在第 2 节中有更详细的描述，包括对初始条件的重构，以及极端轴子流体的新型有效声速。所有这些创新都将极端轴子建模的运行时间缩短至 ∼ 7 秒。这为使用高维 MCMC 算法对极端轴子模型施加观测约束开辟了新的机会，这些算法需要对轴子演化代码进行数万次调用。