通过重建宇宙微波背景偏振旋转探测宇宙弦

宇宙双折射——宇宙微波背景（CMB）光子在传播至地球途中其偏振发生的旋转——是与光子相互作用的类轴子粒子（ALPs）存在的确凿证据。最近有人提出，ALP 场中被称为宇宙弦的拓扑缺陷可以导致量子化的偏振旋转量，该量与电磁手征反常系数 $\mathcal A$ 成正比，而 $\mathcal A$ 直接携带了关于极高能量物理的信息。在本工作中，我们通过使用二次估计量（QEs）估计旋转，研究了对宇宙弦随机网络的探测能力。我们证明，由最大似然估计量导出的 QE 等价于最近提出的全局最小方差 QE；经典的 Hu-Okamoto QE 在特殊条件下等于全局最小方差 QE，但在其他情况下仍然接近全局最优。我们计算了 QE 对来自弦网络的宇宙双折射的灵敏度，针对普朗克卫星任务以及第三代和第四代地面 CMB 实验。利用从普朗克 2015 年偏振数据发布的经过分箱的旋转功率谱，对于一个描述弦尺寸连续分布的唯象但合理的弦网络模型，我们在 95% 置信水平上得到了约束 $\mathcal A^2\,\xi_0 < 0.93$，其中 $\xi_0$ 是以每个哈勃体积内的哈勃尺度为单位的弦总长度。展望未来，西蒙斯天文台和 CMB-S4 等实验将在理论上合理的参数空间 $\mathcal A^2\,\xi_0 \gtrsim 0.01$ 内，要么发现要么证伪 ALP 弦网络的存在。