重型希格斯玻色子的热力学产生中的轴子

我们讨论了在包含两个希格斯双重场和一个带有全局 $U(1)$ Peccei-Quinn 对称性的复单重场的可重整化模型中，轴子的热力学产生，即 DFSZ 型轴子模型。我们表明，当重热化温度超过重型希格斯玻色子的质量尺度时，轴子通过重型希格斯玻色子衰变和散射在相当于重型希格斯玻色子质量尺度的温度下高效产生。结果是，轴子的丰度与重热化温度无关，这与 KSVZ 轴子模型形成鲜明对比。这是因为通过可重整化相互作用的热力学产生是红外主导过程。我们表明，重型希格斯玻色子衰变是 DFSZ 型轴子模型中各种过程的轴子热力学产生的主要通道，而这在文献中被忽略了。我们的结果适用于原始 DFSZ QCD 轴子模型，因为该产生机制与轴子质量无关。作为轴子由重型希格斯玻色子衰变产生的应用，我们计算了质量小于 ${\cal O}(0.1){\rm eV}$ 的轴子对 $\Delta N_{\rm eff}$ 的贡献。未来的 $\Delta N_{\rm eff}$ 测量可能约束轴子和希格斯子部门的模型参数。我们聚焦于质量从 keV 到亚 GeV 量级的轴子，随后讨论了如何通过 X 射线和宇宙微波背景等宇宙学观测来约束所产生的轴子。我们表明，即使轴子由重型希格斯玻色子衰变产生的数量远小于观察到的冷暗能量密度，模型的大部分参数空间也可被探索。