Cosmological constraints on decaying axion-like particles: a global analysis
Cosmological constraints on decaying axion-like particles: a global analysis
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衰变类轴子粒子的宇宙学约束：全局分析
DOI：
10.1088/1475-7516/2022/12/027
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发表时间：
2022
影响因子：
6.4
通讯作者：
Balázs C
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Balázs C
轴子类粒子(Alp)衰变成光子，已知会影响到广泛的天体物理和宇宙学观测结果。在这项研究中，我们主要关注质量在keV-MeV范围内、寿命在104到1013秒之间的阿尔卑斯山，对应于大爆炸核合成结束到宇宙微波背景(CMB)形成之间的衰变。使用全球拟合框架的CosmoBit模块，我们结合了不可约的ALP冻结丰度、原始元素丰度(包括通过ALP衰变的光解体)、CMB光谱扭曲和各向异性以及来自超新星和恒星冷却的约束的最新计算。这种方法第一次有可能在改变Λ清洁发展机制的参数以及几个有害参数的同时，对ALP参数空间进行全局分析。我们发现阿尔卑斯山质量的下限约为300keV，只有当阿尔卑斯山在宇宙学时间尺度上是稳定的时，才能避开这个下限。未来对CMB光谱扭曲的观测将使这一界限提高两个数量级。
Axion-like particles (ALPs) decaying into photons are known to affect a wide range of astrophysical and cosmological observables. In this study we focus on ALPs with masses in the keV–MeV range and lifetimes between 10 4 and 10 13 seconds, corresponding to decays between the end of Big Bang Nucleosynthesis and the formation of the Cosmic Microwave Background (CMB). Using the CosmoBit module of the global fitting framework GAMBIT, we combine state-of-the-art calculations of the irreducible ALP freeze-in abundance, primordial element abundances (including photodisintegration through ALP decays), CMB spectral distortions and anisotropies, and constraints from supernovae and stellar cooling. This approach makes it possible for the first time to perform a global analysis of the ALP parameter space while varying the parameters of ΛCDM as well as several nuisance parameters. We find a lower bound on the ALP mass of around m a> 300 keV, which can only be evaded if ALPs are stable on cosmological timescales. Future observations of CMB spectral distortions with a PIXIE-like mission are expected to improve this bound by two orders of magnitude.
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