通过 $N_\text{eff}$ 观测 QCD 轴子的窗口

我们表明，当 QCD 轴子通过 $c_q/f \, \partial_\mu a \, \bar{q} \gamma^\mu \gamma^5 q$ 直接与夸克耦合时（如 DFSZ 模型中），在早期宇宙中温度 $1 \, {\rm GeV}\lesssim T \lesssim 100 \,{\rm GeV}$ 下的主导产生机制由 $q \bar{q} \leftrightarrow g a$ 和 $q g \leftrightarrow q a$ 获得，其中 $g$ 为胶子。不同的重夸克 $q_i$ 可产生在温度 $T_i$ 退耦的热轴子背景：(1) 顶夸克在 $T_t \lesssim 100 \, {\rm GeV}$（对应 $f/c_t \lesssim 3\times 10^8 {\rm GeV}$）时；(2) 底夸克在 $T_b \lesssim m_b$（对应 $f/c_b\lesssim 8\times 10^{7} {\rm GeV}$）时；(3) 粲夸克在 $T_c \lesssim m_c$（对应 $f/c_c \lesssim 5\times 10^{7} {\rm GeV}$）时。这些情况各自对应于相对论自由度有效数目的贡献，分别处于 $0.027 \leq \Delta N_\text{eff}\leq 0.031$、$0.037 \leq \Delta N_\text{eff} \leq 0.039$ 和 $0.039 \leq \Delta N_\text{eff}$ 给出的窗口内。这些贡献大于仅在电弱相变之上发生热化时所获得的 $\Delta N_{\rm eff}\lesssim 0.027$，并且处于未来 CMB S4 实验的可及范围内，从而开辟了探测轴子及检验该温度下早期宇宙的替代窗口。