揭开极端轴子的面纱：讨论和未来工作

链接表

• 摘要和简介
• 方法
• 现象学
• 讨论和未来工作
• 结论
• 致谢和参考文献

4. 讨论和未来工作

尽管与星系调查中的 LSS 可能性以及 CMB 的透镜、温度和极化功率谱可能性进行比较是最直接的，但目前对轴子最严格的限制来自 Ly-α 森林的测量，因为这些测量能够在比星系调查或 CMB 小得多的尺度上探测 MPS（Rogers & Peiris 2021）。然而，将 MPS 对极端轴子的预测与 Ly-α 森林的数据进行比较更加困难，因为它需要对小尺度非线性结构进行流体动力学模拟，这在原则上可能取决于极端轴子模型的非线性行为。在本文中，我们使用了 Ly-α 森林数据中线性 MPS 的估计值，该数据假设小尺度结构演化为 CDM，但该方法仅在低轴子密度范围内有效，其中 CDM 占暗物质的大部分。已经有一些工作对极端轴子 (Leong et al. 2019) 的非线性 Ly-α 森林进行了建模，但这种模拟的计算成本很高。理想情况下，最好的方法是训练一个模拟器来生成 Ly-α 数据的极端轴子预测，类似于 Rogers & Peiris (2021) 所做的。当与我们修改后的 axionCAMB 结合时，这可以实现快速计算并与 Ly-α 森林数据直接比较，这将对这些极端轴子模型的小尺度行为提供最具参考价值的约束。此外，与 Ly-α 可观测量的直接比较将使我们能够使用更高分辨率的光谱调查，例如 Keck 或 VLT Lu et al. (1996) 所做的调查；Irsiˇ c et al. ˇ (2017b)。

对轴子质量、密度分数和起始角进行精确的同时约束，将定量解决一个迄今为止仅定性解决的重要问题：即这些极端轴子模型发挥作用所需的微调程度。图 10 显示，当轴子起始角接近峰值且相差不到 10% 时，可以与数据达到良好的一致性。Arvanitaki 等人 (2020) 提出了一个模型，可以驱动轴子场在极早期从峰值附近开始，但这些模型的合理性将取决于需要多少微调。所需的微调程度取决于轴子质量和密度分数，如图 9、10 和 11 所示，也可能取决于其他宇宙学参数。利用我们修改后的 axionCAMB，我们可以对一系列轴子和宇宙学参数进行必要的微调程度估计，从而有助于确定产生接近 π 的起始角的这些模型的可行性。

另一个值得探索的领域是将这些约束与未来 CMB 实验（例如 Simons 天文台和 CMB-S4）的预测灵敏度进行比较（Hlozek 等人 ˇ 2017；Lee 等人 2019；Dvorkin 等人 2022；Abazajian 等人 2022）。尽管 Planck 已经对低 ℓ 温度进行了宇宙方差限制，但通过具有更好的极化和/或高 ℓ 数据的实验可能会取得实质性的改进（Aghanim 等人 2016）。CMB 透镜还提供了在一系列尺度上探测 DM MPS 的能力（Rogers 等人 2023）。我们还可以尝试同时使用来自 CMB 和 MPS 源的约束。对 MPS 的直接探测也可用于约束极端轴子模型，包括暗能量调查（我们在 Dentler 等人 2022 年用它来约束普通轴子模型）、欧几里得（Amendola 等人 2018 年）、JWST（Parashari 和 Laha 2023 年）和 Vera Rubin 天文台（Mao 等人 2022 年）。

最后，我们可以尝试将势能约束在标准余弦形状之外。已经提出了轴子具有四次、双曲余弦或单值势能的模型（Cembranos 等人，2018 年；Urena L ˜ opez ´，2019 年；Jaeckel 等人，2017 年）。此外，具有各种势能的轴子类标量场已被提出作为可能缓解哈勃张力的早期暗能量成分（Kamionkowski & Riess，2022 年；Poulin 等人，2023 年）。所有这些势能中的轴子扰动都可以使用我们修改后的 axionCAMB 进行建模，因为势能函数是通用实现的。唯一的要求是，为了使粒子 DM 近似在后期有效，被测试的势能必须在较小的 ϕ 值下简化为二次。