以CMB为背光利用功率谱方法从可分辨星系团搜寻类轴子粒子

轴子或ALP是由BSM理论预言的假想粒子，构成了暗物质候选者之一。这些粒子在磁场存在时可以转化为光子，反之亦然，其概率由耦合强度 $\mathrm{g_{a\gamma}}$ 决定。探测这些粒子的方法之一是利用CMB作为背光。当CMB光子穿过星系团时，在星系团磁场存在下可通过共振转化为质量范围在 $10^{-15}$ eV 至 $10^{-11}$ eV 的ALP。由于平行于星系团磁场的光子极化参与了转化，这导致CMB中产生极化谱畸变（$\alpha$ 畸变）。星系团中磁场和电子密度的涨落导致星系团周围出现空间变化的 $\alpha$ 畸变，其功率谱不同于标准宇宙学模型下引力透镜化的CMB极化功率谱。通过测量星系团周围极化功率谱与全天信号的差异，可以在天空中发现新的 $\alpha$ 畸变。对于在多个电磁波段可分辨的星系团，可以从ALP功率谱测量耦合强度 $\mathrm{g_{a\gamma}}$。使用诸如ILC等多频技术清理前景，我们表明，来自即将进行的CMB实验（如Simons Observatory和CMB-S4）的可分辨星系团的这种基于功率谱的新方法，对于质量为 $10^{-13}$ eV 的ALP，可以探测（或给出约束）ALP-光子耦合强度分别为 $\mathrm{g_{a\gamma} < 5.2 \times 10^{-12} \, GeV^{-1}}$ 和 $\mathrm{g_{a\gamma} < 3.6 \times 10^{-12} \, GeV^{-1}}$（在 95% 置信水平下），或者对于更轻的ALP质量可探测更小的 $\mathrm{g_{a\gamma}}$（节选）。