寻找中间尺度的偶然轴子及更多类轴子粒子

BICEP2 宇宙微波背景偏振计实验最近对 B 模功率谱中张量涨落的探测，基本上排除了所有衰变常数高于 $10^{13}$ GeV 的合理轴子模型。此外，对于涉及轴子以及类轴子粒子 (ALPs) 的模型，存在强烈的理论、天体物理和宇宙学动机，其中 ALPs 的衰变常数处于 $10^9$ GeV 到 $10^{13}$ GeV 之间的中间尺度范围。在此，我们对包含轴子和额外 ALPs 的模型进行了一般性分析，并推导了轴子与 ALP 光子（及电子）耦合相对大小的界限。我们讨论了通过测量轴子和 ALP 光子耦合可以了解到关于理论底层紫外完备性的基本参数的哪些信息。对于后者，我们考虑了标准模型的扩展，其中轴子和 ALP(s) 作为全局手征 $U(1)$ (Peccei-Quinn (PQ)) 对称性破缺产生的伪 Nambu-Goldstone 玻色子出现，并作为精确离散对称性的低能残余偶然产生。在此类模型中，轴子和额外的 ALP 受到保护，免受由普朗克尺度压低算符引起的灾难性显式对称性破缺效应的影响。所考虑的情景利用了重右手中微子，其质量通过 PQ 对称性破缺获得，从而通过电弱尺度与中间 PQ 对称性破缺尺度之间的跷跷板关系解释了活性中微子的小质量。我们展示了一些模型，如果各自的衰变常数处于中间尺度，这些模型可以同时容纳轴子暗物质候选者、解释宇宙对 $\gamma$-射线异常透明度的 ALP，以及解释最近报道的来自星系和星系团的 3.55 keV 伽马射线的 ALP。