关于轴子冻结入机制的新见解

通过轴子-光子耦合 $g_{\phi\gamma}$ 的冻结入机制可以在早期宇宙中产生轴子。在接近最低允许值 $T_{\rm reh}\approx T_{\rm BBN}\approx 10\,{\rm MeV}$ 的低再加热温度下，轴子丰度在轴子质量 $m_\phi\approx T_{\rm reh}$ 处达到峰值。这类重轴子不稳定并随后衰变，导致天体物理与宇宙学对 $g_{\phi\gamma}$ 施加强约束。在本工作中，我们重新审视了冻结入丰度的计算，并澄清了一些重要问题。我们首先完整计算了 Primakoff 过程、正负电子湮灭以及光子到轴子（逆）衰变的碰撞项，同时近似考虑了等离子体屏蔽与阈值效应。随后，我们求解了完整轴子分布函数的玻尔兹曼方程。我们证实了先前关于这两个过程对有效“遗迹丰度”（定义为衰变前的密度）重要性的结果，并提供了有用的拟合公式，以从平衡相互作用率估算冻结入丰度。对于分布函数，我们发现了非平衡态的轴子群体，并为其引入了有效温度。我们追踪了直至衰变的演化，发现平均轴子动能比热遗迹大 20% 至 80%，这可能对来自 X 射线光谱的衰变轴子限制产生影响。我们将研究扩展到具有四次交叉耦合的双轴子系统，发现对于典型/预期的耦合，通过湮灭产生的第二种轴子味的冻结入对遗迹密度的贡献微乎其微。