利用原初引力波进行轴子暗物质考古学

我们研究了从暴胀引力波（IGW）信号和量子色动力学（QCD）轴子暗物质搜寻中可获得的互补信息。我们聚焦于宇宙学上安全的暴胀后佩切伊-奎因（PQ）破缺轴子模型。近期研究表明，此类模型的数量比以往认为的更多。这是因为产生颜色反常所需的重夸克可能引发一段重夸克主导（HQD）时期，该时期通过衰变稀释了轴子丰度。在这项工作中，我们首次证明，对于重夸克通过量纲为6的项衰变的模型，轴子暗物质质量可以低至 $m_a\sim10^{-8}\,{\rm eV}$。这是通过允许重夸克质量与轴子衰变常数不同，即 $m_Q\neq f_a$ 来实现的。因此，原本用于区分暴胀前和暴胀后PQ破缺的可观测量——$m_a$ 和额外的相对论性自由度 $\Delta N_{\rm eff}$——现在变得无法区分。为了解决这个问题，我们提出使用蓝倾斜的IGWs来探测HQD。在存在这种蓝倾斜的情况下，增强的引力波信号使得未来的干涉仪能够对参数 $m_Q$ 和 $f_a$ 施加非平凡约束，从而补充haloscope搜寻。尽管与 $m_Q$ 等其他参数仍存在一些简并性，但像BBO和ET这样的探测器将有望探测到 $f_a\gtrsim 10^{14}\,{\rm GeV}$ 的区域。