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高能物理 - 现象学

arXiv:2408.08355v1 (hep-ph)
[提交于 2024年8月15日 ]

标题: 轴子暗物质的动能不对齐模型实现

标题: Model implementations of axion dark matter from kinetic misalignment

Authors:Cem Eröncel, Ryosuke Sato, Géraldine Servant, Philip Sørensen
摘要: 轴子动力学不对准机制(KMM)为解释暗物质提供了可能性,适用于几乎任何轴子质量以及衰变常数,这些参数无法通过标准的不对准机制来探测,特别是在轴子衰变常数较低的情况下(即强耦合)。这对于大多数轴子实验来说是一个新的机会,这些实验可能对暗物质敏感,并能探索轴子宇宙学的新领域。我们仔细研究了导致KMM机制的紫外完成。这些主要依赖于轴子伙伴的早期动力学,即复标量场的径向模,轴子从该模继承动能。径向模能量密度的阻尼是必要的组成部分。我们详细研究了等离子体中相互作用引起的热阻尼。一个最小且相当自然的实现是由一个KSVZ型模型组成,该模型对径向模具有近似二次势,并通过U(1)破坏的高维算符进行扩展。此外,我们研究了希格斯通道相互作用作为另一种阻尼机制,并改进了之前基于四次势提出的实现。这些实现可以使QCD轴子成为暗物质,并在IAXO的范围内,而MADMAX、IAXO和ALPS II可以对作为暗物质的通用轴子类似粒子(ALP)敏感。这类模型通常具有kination时代。我们还表明,来自KMM的ALP暗物质指向一种特定的暴胀实现。
摘要: The axion kinetic misalignment mechanism (KMM) opens the possibility of explaining dark matter for almost any axion mass and decay constant that are not accessible by the standard misalignment mechanism, in particular at low values of the axion decay constant (i.e. large coupling). This is a new opportunity for most axion experiments which could be sensitive to dark matter and probe new regimes of axion cosmology. We scrutinise UV completions that lead to the KMM mechanism. These mainly rely on the early dynamics of the axion partner, the radial mode of the complex scalar field, from which the axion inherits kinetic energy. The damping of the radial-mode energy density is then a necessary ingredient. We study in detail thermal damping from interactions in the plasma. A minimal and rather natural implementation consists of a KSVZ-type model with a nearly-quadratic potential for the radial mode extended by U(1)-breaking higher-dimensional operators. Furthermore, we study Higgs portal interactions as an alternative damping mechanism and improve upon previously proposed implementations based on quartic potentials. These implementations can lead to the QCD axion being dark matter and in the reach of IAXO, while MADMAX, IAXO and ALPS II can be sensitive to a generic Axion-Like-Particle (ALP) as dark matter. Such models typically feature a kination era. We also show that ALP dark matter from KMM points to a particular realization of inflation.
评论: 51页,21图(正文不含参考文献)+ 47页,25图(附录)
主题: 高能物理 - 现象学 (hep-ph) ; 宇宙学与非星系天体物理学 (astro-ph.CO)
引用方式: arXiv:2408.08355 [hep-ph]
  (或者 arXiv:2408.08355v1 [hep-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.08355
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: DESY 23-194, OU-HET-1152, CERN-TH-2024-093

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来自: Cem Eröncel [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2024 年 8 月 15 日 18:00:04 UTC (15,183 KB)
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