Observational Possibility of Dark Matter Axion by Non-linear Growth of Fluctuations

通过波动的非线性增长观测暗物质轴子的可能性

基本信息

批准号：
19J12936
负责人：
園元英祐
金额：
$ 1.47万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

昨年までの研究により Ultra-Light Axion-like Particle (ULAP) がオシロンという長寿命なソリトンを形成し得ることがわかった。そこで本年は、形成されたオシロンを用いて ULAP のパラメータ領域に制限をかけることを目的として研究を行い、以下の二つの成果を得ることができた。一つ目は、オシロンが作る密度ゆらぎのパワースペクトラムの解析解を求めたことである。オシロンは、オシロン形成時のホライズン以下のスケールで大きなゆらぎを作るため、このゆらぎに着目することでオシロンを何らかの観測と結びつけられる可能性があった。そこで、オシロンのゆらぎの作るパワースペクトラムの定量的な見積もりをまずは行い、その結果が数値シミュレーションの結果と一致することを確認した。二つ目は、21cm 線と呼ばれる、中性水素の陽子・電子間のスピン相互作用によって分裂したエネルギー準位間の遷移によって放出される光子に着目することで、探索可能な ULAP のパラメータ領域に制限を付けたことである。今回は、小スケールの大きなゆらぎ観測手法として、背景光が中性水素に吸収されることによって生じる 21cm 線の吸収線を用いた。オシロンの存在によってこれらの吸収線の量がどの程度変化するかを計算することで、21cm 線の観測によって制限可能な ULAP のパラメータ領域を得ることができた。以上の結果は、二本の論文として Journal of Cosmology and Astroparticle Physics に掲載されている。

直到去年的研究表明，超光轴状颗粒（ULAP）可以形成称为oscillon的悠久孤子。因此，今年，我们进行了研究，目的是使用形成的Oscillon限制ULAP的参数域，并能够实现以下两个结果。首先是找到一个分析解决方案，以实现由Osilon产生的密度波动的功率谱。由于俄语在形成oscillons时在地平线以下的比例下产生了较大的波动，因此有可能将重点放在这种波动上，因此俄亥俄州有可能与某种观察结果链接。因此，我们首先对Oscillon波动产生的功率谱进行了定量估计，并确认结果与数值模拟的结果相匹配。第二个是我们通过重点关注通过通过质子水平在质子水平之间通过自旋相互作用的质子和中性氢的电子（称为21厘米线）的自旋相互作用（称为21厘米线的质子）发出的光子来限制了ulap的可搜索参数域。这次，我们使用了21厘米线的吸收线，该线通过中性氢作为一种小规模的大波动观察方法而产生的背景光产生。通过计算由于Oscillon的存在而导致这些吸收线的量变化的程度，我们能够获得ULAP的参数区域，该参数可以受到21cm线观测的限制。上述结果发表在《宇宙学和肌动颗粒物理学杂志》上，作为两篇论文。