Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

Opening up a window on the postinflationary QCD axion (2209.09908v2)

Published 20 Sep 2022 in hep-ph and astro-ph.CO

Abstract: The QCD axion cosmology depends crucially on whether the QCD axion is present during inflation or not. We point out that contrary to the standard criterion, the Peccei-Quinn (PQ) symmetry could remain unbroken during inflation, even when the axion decay constant, $f_a$, is (much) above the inflationary Hubble scale, $H_I$. This is achieved through the heavy-lifting of the PQ scalar field due to its leading non-renormalizable interaction with the inflaton, encoded in a high-dimensional operator which respects the approximate shift symmetry of the inflaton. The mechanism opens up a new window for the post-inflationary QCD axion and significantly enlarges the parameter space, in which the QCD axion dark matter with $f_a > H_I$ could be compatible with high-scale inflation and free from constraints on axion isocurvature perturbations. There also exist non-derivative couplings, which still keep the inflaton shift symmetry breaking under control, to achieve the heavy-lifting of the PQ field during inflation. Additionally, by introducing an early matter domination era, more parameter space of high $f_a$ could yield the observed DM abundance.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (100)
  1. R. D. Peccei and H. R. Quinn, CP conservation in the presence of instantons, Phys. Rev. Lett. 38, 1440 (1977a).
  2. R. D. Peccei and H. R. Quinn, Constraints imposed by CP conservation in the presence of instantons, Phys. Rev. D 16, 1791 (1977b).
  3. S. Weinberg, A new light boson?, Phys. Rev. Lett. 40, 223 (1978).
  4. F. Wilczek, Problem of strong P𝑃Pitalic_P and T𝑇Titalic_T invariance in the presence of instantons, Phys. Rev. Lett. 40, 279 (1978).
  5. J. Preskill, M. B. Wise, and F. Wilczek, Cosmology of the invisible axion, Phys. Lett. 120B, 127 (1983).
  6. M. Dine and W. Fischler, The not-so-harmless axion, Phys. Lett. B 120, 137 (1983).
  7. L. F. Abbott and P. Sikivie, A cosmological bound on the invisible axion, Phys. Lett. B 120, 133 (1983).
  8. C. B. Adams et al., Axion Dark Matter, in 2022 Snowmass Summer Study (2022) arXiv:2203.14923 [hep-ex] .
  9. P. Asadi et al., Early-Universe Model Building,   (2022a), arXiv:2203.06680 [hep-ph] .
  10. A. H. Guth, The Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems, Phys. Rev. D 23, 347 (1981).
  11. P. Sikivie, Axion Cosmology, Lect. Notes Phys. 741, 19 (2008), arXiv:astro-ph/0610440 .
  12. D. J. E. Marsh, Axion Cosmology, Phys. Rept. 643, 1 (2016), arXiv:1510.07633 [astro-ph.CO] .
  13. M. P. Hertzberg, M. Tegmark, and F. Wilczek, Axion Cosmology and the Energy Scale of Inflation, Phys. Rev. D 78, 083507 (2008), arXiv:0807.1726 [astro-ph] .
  14. M. Kawasaki and K. Nakayama, Axions: Theory and Cosmological Role, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 63, 69 (2013), arXiv:1301.1123 [hep-ph] .
  15. P. J. Steinhardt and M. S. Turner, Saving the Invisible Axion, Phys. Lett. B 129, 51 (1983).
  16. D. Seckel and M. S. Turner, Isothermal Density Perturbations in an Axion Dominated Inflationary Universe, Phys. Rev. D 32, 3178 (1985).
  17. D. H. Lyth, A Limit on the Inflationary Energy Density From Axion Isocurvature Fluctuations, Phys. Lett. B 236, 408 (1990).
  18. M. S. Turner and F. Wilczek, Inflationary axion cosmology, Phys. Rev. Lett. 66, 5 (1991).
  19. A. D. Linde, Axions in inflationary cosmology, Phys. Lett. B 259, 38 (1991).
  20. Y. Akrami et al. (Planck), Planck 2018 results. X. constraints on inflation, Astron. Astrophys. 641, A10 (2020), arXiv:1807.06211 [astro-ph.CO] .
  21. K. Choi, K. S. Jeong, and M.-S. Seo, String theoretic QCD axions in the light of PLANCK and BICEP2, JHEP 07, 092, arXiv:1404.3880 [hep-th] .
  22. E. J. Chun, Axion Dark Matter with High-Scale Inflation, Phys. Lett. B 735, 164 (2014), arXiv:1404.4284 [hep-ph] .
  23. M. Fairbairn, R. Hogan, and D. J. E. Marsh, Unifying inflation and dark matter with the Peccei-Quinn field: observable axions and observable tensors, Phys. Rev. D 91, 023509 (2015), arXiv:1410.1752 [hep-ph] .
  24. T. Higaki, K. S. Jeong, and F. Takahashi, Solving the Tension between High-Scale Inflation and Axion Isocurvature Perturbations, Phys. Lett. B 734, 21 (2014), arXiv:1403.4186 [hep-ph] .
  25. K. Nakayama and M. Takimoto, Higgs inflation and suppression of axion isocurvature perturbation, Phys. Lett. B 748, 108 (2015), arXiv:1505.02119 [hep-ph] .
  26. J. Kearney, N. Orlofsky, and A. Pierce, High-Scale Axions without Isocurvature from Inflationary Dynamics, Phys. Rev. D 93, 095026 (2016), arXiv:1601.03049 [hep-ph] .
  27. K. S. Jeong and F. Takahashi, Suppressing Isocurvature Perturbations of QCD Axion Dark Matter, Phys. Lett. B 727, 448 (2013), arXiv:1304.8131 [hep-ph] .
  28. P. Sikivie, Of Axions, Domain Walls and the Early Universe, Phys. Rev. Lett. 48, 1156 (1982).
  29. A. Vilenkin and A. E. Everett, Cosmic Strings and Domain Walls in Models with Goldstone and PseudoGoldstone Bosons, Phys. Rev. Lett. 48, 1867 (1982).
  30. G. Lazarides and Q. Shafi, Axion Models with No Domain Wall Problem, Phys. Lett. B 115, 21 (1982).
  31. S. Chang, C. Hagmann, and P. Sikivie, Studies of the motion and decay of axion walls bounded by strings, Phys. Rev. D 59, 023505 (1999), arXiv:hep-ph/9807374 .
  32. R. L. Davis, Cosmic Axions from Cosmic Strings, Phys. Lett. B 180, 225 (1986).
  33. A. Vilenkin and T. Vachaspati, Radiation of Goldstone Bosons From Cosmic Strings, Phys. Rev. D 35, 1138 (1987).
  34. D. Harari and P. Sikivie, On the Evolution of Global Strings in the Early Universe, Phys. Lett. B 195, 361 (1987).
  35. R. L. Davis and E. P. S. Shellard, DO AXIONS NEED INFLATION?, Nucl. Phys. B 324, 167 (1989).
  36. R. A. Battye and E. P. S. Shellard, Global string radiation, Nucl. Phys. B 423, 260 (1994a), arXiv:astro-ph/9311017 .
  37. R. A. Battye and E. P. S. Shellard, Axion string constraints, Phys. Rev. Lett. 73, 2954 (1994b), [Erratum: Phys.Rev.Lett. 76, 2203–2204 (1996)], arXiv:astro-ph/9403018 .
  38. M. Yamaguchi, M. Kawasaki, and J. Yokoyama, Evolution of axionic strings and spectrum of axions radiated from them, Phys. Rev. Lett. 82, 4578 (1999), arXiv:hep-ph/9811311 .
  39. C. Hagmann, S. Chang, and P. Sikivie, Axion radiation from strings, Phys. Rev. D 63, 125018 (2001), arXiv:hep-ph/0012361 .
  40. M. Gorghetto, E. Hardy, and G. Villadoro, More axions from strings, SciPost Phys. 10, 050 (2021a), arXiv:2007.04990 [hep-ph] .
  41. C. J. Hogan and M. J. Rees, AXION MINICLUSTERS, Phys. Lett. B 205, 228 (1988).
  42. E. W. Kolb and I. I. Tkachev, Axion miniclusters and Bose stars, Phys. Rev. Lett. 71, 3051 (1993), arXiv:hep-ph/9303313 .
  43. E. W. Kolb and I. I. Tkachev, Nonlinear axion dynamics and formation of cosmological pseudosolitons, Phys. Rev. D 49, 5040 (1994a), arXiv:astro-ph/9311037 .
  44. E. W. Kolb and I. I. Tkachev, Large amplitude isothermal fluctuations and high density dark matter clumps, Phys. Rev. D 50, 769 (1994b), arXiv:astro-ph/9403011 .
  45. K. M. Zurek, C. J. Hogan, and T. R. Quinn, Astrophysical Effects of Scalar Dark Matter Miniclusters, Phys. Rev. D 75, 043511 (2007), arXiv:astro-ph/0607341 .
  46. A. Vaquero, J. Redondo, and J. Stadler, Early seeds of axion miniclusters, JCAP 04, 012, arXiv:1809.09241 [astro-ph.CO] .
  47. P. Tinyakov, I. Tkachev, and K. Zioutas, Tidal streams from axion miniclusters and direct axion searches, JCAP 01, 035, arXiv:1512.02884 [astro-ph.CO] .
  48. S. Davidson and T. Schwetz, Rotating Drops of Axion Dark Matter, Phys. Rev. D 93, 123509 (2016), arXiv:1603.04249 [astro-ph.CO] .
  49. Y. Bai and Y. Hamada, Detecting Axion Stars with Radio Telescopes, Phys. Lett. B 781, 187 (2018), arXiv:1709.10516 [astro-ph.HE] .
  50. L. Dai and J. Miralda-Escudé, Gravitational Lensing Signatures of Axion Dark Matter Minihalos in Highly Magnified Stars, Astron. J. 159, 49 (2020), arXiv:1908.01773 [astro-ph.CO] .
  51. Q. Shafi and A. Vilenkin, Spontaneously Broken Global Symmetries and Cosmology, Phys. Rev. D 29, 1870 (1984).
  52. L. A. Kofman and A. D. Linde, Generation of Density Perturbations in the Inflationary Cosmology, Nucl. Phys. B 282, 555 (1987).
  53. L. A. Kofman and D. Y. Pogosian, Nonflat Perturbations in Inflationary Cosmology, Phys. Lett. B 214, 508 (1988).
  54. M. Gorghetto, E. Hardy, and H. Nicolaescu, Observing invisible axions with gravitational waves, JCAP 06, 034, arXiv:2101.11007 [hep-ph] .
  55. M. Kawasaki, T. Moroi, and T. Yanagida, Can decaying particles raise the upperbound on the peccei-quinn scale?, Phys. Lett. B 383, 313 (1996), arXiv:hep-ph/9510461 [hep-ph] .
  56. T. Banks and M. Dine, The Cosmology of string theoretic axions, Nucl. Phys. B 505, 445 (1997), arXiv:hep-th/9608197 .
  57. G. F. Giudice, E. W. Kolb, and A. Riotto, Largest temperature of the radiation era and its cosmological implications, Phys. Rev. D 64, 023508 (2001), arXiv:hep-ph/0005123 .
  58. D. Grin, T. L. Smith, and M. Kamionkowski, Axion constraints in non-standard thermal histories, Phys. Rev. D 77, 085020 (2008), arXiv:0711.1352 [astro-ph] .
  59. L. Visinelli and P. Gondolo, Axion cold dark matter in non-standard cosmologies, Phys. Rev. D 81, 063508 (2010), arXiv:0912.0015 [astro-ph.CO] .
  60. N. Bernal, F. Hajkarim, and Y. Xu, Axion Dark Matter in the Time of Primordial Black Holes, Phys. Rev. D 104, 075007 (2021a), arXiv:2107.13575 [hep-ph] .
  61. S. Kumar and R. Sundrum, Heavy-lifting of gauge theories by cosmic inflation, JHEP 05 (5), 011, arXiv:1711.03988 [hep-ph] .
  62. L.-T. Wang and Z.-Z. Xianyu, Gauge Boson Signals at the Cosmological Collider, JHEP 11, 082, arXiv:2004.02887 [hep-ph] .
  63. J. Fan, M. Reece, and Y. Wang, An Inflationary Probe of Cosmic Higgs Switching, JHEP 05, 042, arXiv:1905.05764 [hep-th] .
  64. X. Chen and Y. Wang, Quasi-Single Field Inflation and Non-Gaussianities, JCAP 04, 027, arXiv:0911.3380 [hep-th] .
  65. P. Creminelli, On non-Gaussianities in single-field inflation, JCAP 10, 003, arXiv:astro-ph/0306122 .
  66. J. Fan, M. Reece, and L.-T. Wang, Mitigating Moduli Messes in Low-Scale SUSY Breaking, JHEP 09, 126, arXiv:1106.6044 [hep-ph] .
  67. K. Enqvist and M. S. Sloth, Adiabatic CMB perturbations in pre - big bang string cosmology, Nucl. Phys. B 626, 395 (2002), arXiv:hep-ph/0109214 .
  68. D. H. Lyth and D. Wands, Generating the curvature perturbation without an inflaton, Phys. Lett. B 524, 5 (2002), arXiv:hep-ph/0110002 .
  69. T. Moroi and T. Takahashi, Effects of cosmological moduli fields on cosmic microwave background, Phys. Lett. B 522, 215 (2001), [Erratum: Phys.Lett.B 539, 303–303 (2002)], arXiv:hep-ph/0110096 .
  70. T. L. Smith and D. Grin, Probing a panoply of curvaton-decay scenarios using CMB data, Phys. Rev. D 94, 103517 (2016), arXiv:1511.07431 [astro-ph.CO] .
  71. V. Vennin, K. Koyama, and D. Wands, Encyclopædia curvatonis, JCAP 11, 008, arXiv:1507.07575 [astro-ph.CO] .
  72. S. Kumar and R. Sundrum, Cosmological collider physics and the curvaton, JHEP 2020 (4), 077, arXiv:1908.11378 [hep-ph] .
  73. I. Affleck and M. Dine, A New Mechanism for Baryogenesis, Nucl. Phys. B 249, 361 (1985).
  74. F. L. Bezrukov and M. Shaposhnikov, The Standard Model Higgs boson as the inflaton, Phys. Lett. B 659, 703 (2008), arXiv:0710.3755 [hep-th] .
  75. T. Moroi, M. Yamaguchi, and T. Yanagida, On the solution to the Polonyi problem with 𝒪𝒪\mathcal{O}caligraphic_O(10-TeV) gravitino mass in supergravity, Phys. Lett. B 342, 105 (1995), arXiv:hep-ph/9409367 .
  76. G. Kane, K. Sinha, and S. Watson, Cosmological Moduli and the Post-Inflationary Universe: A Critical Review, Int. J. Mod. Phys. D 24, 1530022 (2015), arXiv:1502.07746 [hep-th] .
  77. A. E. Nelson and H. Xiao, Axion cosmology with early matter domination, Phys. Rev. D 98, 063516 (2018), arXiv:1807.07176 [astro-ph.CO] .
  78. K. N. Abazajian et al. (CMB-S4), CMB-S4 Science Book, First Edition,   (2016), arXiv:1610.02743 [astro-ph.CO] .
  79. N. A. Dondi, F. Sannino, and J. Smirnov, Thermal history of composite dark matter, Phys. Rev. D 101, 103010 (2020), arXiv:1905.08810 [hep-ph] .
  80. M. Dine, L. Randall, and S. D. Thomas, Baryogenesis from flat directions of the supersymmetric standard model, Nucl. Phys. B 458, 291 (1996), arXiv:hep-ph/9507453 .
  81. T. W. B. Kibble, Topology of Cosmic Domains and Strings, J. Phys. A 9, 1387 (1976).
  82. T. W. B. Kibble, Some Implications of a Cosmological Phase Transition, Phys. Rept. 67, 183 (1980).
  83. A. Vilenkin, Cosmic Strings, Phys. Rev. D 24, 2082 (1981).
  84. L. Fleury and G. D. Moore, Axion dark matter: strings and their cores, JCAP 01, 004, arXiv:1509.00026 [hep-ph] .
  85. V. B. Klaer and G. D. Moore, How to simulate global cosmic strings with large string tension, JCAP 10, 043, arXiv:1707.05566 [hep-ph] .
  86. M. Gorghetto, E. Hardy, and G. Villadoro, Axions from strings: the attractive solution, JHEP 07 (7), 151, arXiv:1806.04677 [hep-ph] .
  87. S. J. Asztalos et al. (ADMX), An Improved RF cavity search for halo axions, Phys. Rev. D 69, 011101 (2004), arXiv:astro-ph/0310042 .
  88. B. M. Brubaker et al., First results from a microwave cavity axion search at 24 μ𝜇\muitalic_μeV, Phys. Rev. Lett. 118, 061302 (2017), arXiv:1610.02580 [astro-ph.CO] .
  89. L. Zhong et al. (HAYSTAC), Results from phase 1 of the HAYSTAC microwave cavity axion experiment, Phys. Rev. D 97, 092001 (2018), arXiv:1803.03690 [hep-ex] .
  90. N. Du et al. (ADMX), A Search for Invisible Axion Dark Matter with the Axion Dark Matter Experiment, Phys. Rev. Lett. 120, 151301 (2018), arXiv:1804.05750 [hep-ex] .
  91. T. Braine et al. (ADMX), Extended Search for the Invisible Axion with the Axion Dark Matter Experiment, Phys. Rev. Lett. 124, 101303 (2020), arXiv:1910.08638 [hep-ex] .
  92. K. M. Backes et al. (HAYSTAC), A quantum-enhanced search for dark matter axions, Nature 590, 238 (2021), arXiv:2008.01853 [quant-ph] .
  93. O. Kwon et al. (CAPP), First Results from an Axion Haloscope at CAPP around 10.7 μ𝜇\muitalic_μeV, Phys. Rev. Lett. 126, 191802 (2021), arXiv:2012.10764 [hep-ex] .
  94. C. Bartram et al. (ADMX), Search for Invisible Axion Dark Matter in the 3.3–4.2  μ𝜇\muitalic_μeV Mass Range, Phys. Rev. Lett. 127, 261803 (2021), arXiv:2110.06096 [hep-ex] .
  95. J. Kim et al., Near-Quantum-Noise Axion Dark Matter Search at CAPP around 9.5 μ𝜇\muitalic_μeV,   (2022), arXiv:2207.13597 [hep-ex] .
  96. I. J. Allali, M. P. Hertzberg, and Y. Lyu, Altered Axion Abundance from a Dynamical Peccei-Quinn Scale, Phys. Rev. D 105, 123517 (2022), arXiv:2203.15817 [hep-ph] .
  97. M. S. Turner, Cosmic and Local Mass Density of Invisible Axions, Phys. Rev. D 33, 889 (1986).
  98. D. H. Lyth, Axions and inflation: Sitting in the vacuum, Phys. Rev. D 45, 3394 (1992).
  99. K. Strobl and T. J. Weiler, Anharmonic evolution of the cosmic axion density spectrum, Phys. Rev. D 50, 7690 (1994), arXiv:astro-ph/9405028 .
  100. Y. Gouttenoire, G. Servant, and P. Simakachorn, Beyond the Standard Models with Cosmic Strings, JCAP 07, 032, arXiv:1912.02569 [hep-ph] .
Citations (4)

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Whiteboard

Video Overview

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.