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Cadamuro, Davide (2012): Cosmological limits on axions and axion-like particles. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The axion is a pseudo-Nambu-Goldstone boson. It appears after the spontaneous breaking of the Peccei-Quinn symmetry, which was proposed to solve the strong-CP problem. Other pseudo-Nambu-Goldstone bosons, postulated in some extensions of the standard model of particle physics, are called axion-like particles (ALPs) if they share certain characteristics with the axion, in particular a coupling to two photons. Thus far, axion and ALP searches have been unsuccessful, indicating that their couplings have to be extremely weak. However, axions and ALPs could be responsible for some observable effects in astrophysics and cosmology, which can also be exploited to constrain the parameter space of these particles. We focus on limits coming from cosmology, which is an optimal field for studying axions and ALPs. In particular, we first investigate the possibility of a primordial population of axions and ALPs arising during the earliest epochs of the universe. The importance of this analysis lies on the fact that axions and ALPs are ideal dark matter candidates because of their faint interactions and their peculiar production mechanisms. Finally, we consider the consequences of the decay of such a population on specific cosmological observables, namely the photon spectrum of galaxies, the cosmic microwave background, the effective number of neutrino species, and the abundance of primordial elements. Our bounds constitute the most stringent probes of early decays and exclude a part of the ALP parameter space that is otherwise very difficult to test experimentally.

Abstract

Das Axion ist ein pseudo-Nambu-Goldstone Boson. Es tritt in Erscheinung nach dem spontanen Bruch der Peccei-Quinn Symmetrie, die als Lösung des starken CP-Problems vorgeschlagen wurde. Andere pseudo-Nambu-Goldstone Bosonen, postuliert in einigen Erweiterungen des Standardmodells, werden "Axion-Like Particles" (ALPs) genannt, wenn sie bestimmte Eigenschaften mit dem Axion teilen, insbesondere die Kopplung an zwei Photonen. Bis jetzt waren alle Suchen nach Axionen und ALPs erfolglos. Dies bedeutet, dass deren Kopplungen extrem schwach sein müssen. Allerdings können Axionen und ALPs einige beobachtbare astrophysikalische und kosmologische Auswirkungen haben, anhand derer man den Parameterraum dieser Teilchen einschränken kann. Wir konzentrieren uns auf Schranken aus der Kosmologie, die ein ideales Feld für die Untersuchung von Axionen und ALPs darstellt. Insbesondere untersuchen wir als erstes die Möglichkeit einer Axion- und ALP-Population, die während der frühesten Augenblicke des Universums entstanden ist. Die Bedeutung dieser Analyse rührt daher, dass Axionen und ALPs wegen ihrer schwachen Wechselwirkung und der besonderen Produktionsmechanismen ideale Kandidaten für die dunkle Materie sind. Schließlich betrachten wir die Folgen des Zerfalls dieser Teilchen für bestimmte kosmologische Observablen, nämlich für das Photonenspektrum von Galaxien, für den kosmoschen Mikrowellenhintergrund, für die effektive Zahl an Neutrinos und die ursprüngliche Häufigkeit der Elemente. Unsere Schranken stellen den striktesten Test eines frühen Zerfalls von Axionen und ALPs dar und schließen einen Teil des Parameterraums von ALPs aus, der ansonsten experimentell nur schwer zugänglich ist.