利用21厘米森林约束超轻暗物质粒子的性质

超轻标量场可普遍出现,例如作为近似对称性(如轴子及更一般的类轴子粒子)自发破缺的结果。除粒子物理学的动机外,这些粒子也可通过贡献暗物质丰度并影响亚Mpc尺度的结构形成而在宇宙学中扮演重要角色。在本文中,我们提议利用21厘米森林观测来探测超轻暗物质的性质。21厘米森林能探测比莱曼-$\alpha$森林小得多的尺度,即 $k\gtrsim 10\mathrm{Mpc}^{-1}$。我们探讨了超轻暗物质质量 $m_{u}$ 以及相对于总物质的超轻暗物质比例 $f_u$ 中可被21厘米森林探测的范围。我们发现,对于 $f_u=1$,21厘米森林可潜在地给出暗物质质量下限 $m_u \gtrsim 10^{-18}$ eV,这比当前莱曼-$\alpha$森林观测所探测的质量尺度大3个数量级。尽管当暗物质主导成分由常规冷暗物质构成时超轻粒子对结构形成的影响变小,我们发现21厘米森林仍足够强大,可探测子成分超轻暗物质质量达 $10^{-19}$ eV量级。Fisher矩阵分析表明,对于子成分超轻暗物质情形,$(m_u,f_u)\sim (10^{-20}\mathrm{eV}, 0.3)$ 是21厘米森林能以最小误差探测的最优参数集。