轴子波色爱因斯坦凝聚对宇宙微波背景辐射的影响

Besides dark energy, cold dark matter (CDM) constitutes the majority part of Universe today based on a large number of cosmological and astrophysical observations. Most beyond standard model theories contain naturally candidates for CDM and the light SUSY particles or the axions are the leading ones to be considered for many people due to their elegance and consistency. Beginning from year 2009, we focus on whether the cosmic cold axions form a Bose Einstein Condensate (BEC) [PRL103:111301] and its possible implications. The formation of axion BEC may change the standard view of structure formation and nucleosynthesis. For example, the axion BEC can result in cooling of the photons after big-bang nucleosynthesis and before recombination, thereby alleviating the discrepancy in the observed and predicted primordial abundance of Li [PRL108:061304]. Our new project will focus on possible implications of axion BEC to cosmic microwave background radiation anisotropies. We hope that we can find a new way to distinguish axions from other dark matter candidates such as SUSY particles. The key issues for this project are: 1)Whether cold axions and cosmic photons transfer energy and momentum in a special way. 2）Whether the proposed energy momentum transfer can lead observable marks in CMBR multipoles.

各种观测和计算表明暗物质粒子是超出标准模型以外的新的基本粒子。许多新物理模型自然地包含暗物质的候选粒子,其中，由于理论的自洽性和统一性，超对称模型和轴子模型最被人们看好。2009年以来,我们深入的研究了轴子模型，首创地提出冷暗物质轴子以玻色爱因斯坦凝聚的形式存在(PRL103:111301)，并可以此解决传统宇宙学的一些疑难问题(PRL108:061304)。本项目将研究玻色爱因斯坦凝聚的冷暗轴子对微波背景辐射可能产生的观测效应，希望藉此找到对暗物质的轴子模型和暗物质的超对称粒子模型的有效判别方法。问题的关键在于：1）冷轴子和微波背景光子是否存在特殊的能动量交换；2）如果确实存在冷轴子和背景光子相互作用，是否能够在宇宙微波背景多极距中留下特殊的印记，从而区分轴子暗物质和超对称暗物质。

起源于misaligment机制的轴子，类轴子和暗光子已成为众多暗物质模型中的一类重要的和非常有希望的候选粒子。本项目利用宇宙学的各种观测，围绕暗物质和微波背景辐射的反常，探讨了可能的超越标准模型的物理模型，其中包括轴子和类轴子暗物质是否形成玻色-爱因斯坦凝聚，如果形成玻色凝聚，轴子和类轴子暗物质和传统点状暗物质粒子模型是否有宇宙学上可观测可区分的效应。同时，我们推广了所探讨的范围，考虑了同为misaligment机制产生的暗光子暗物质，提出了一个新的暗光子物质的探测方案，并且把类轴子/轴子和暗光子作为misaligment机制自旋为0和自旋为1的两个特例，放入同一个框架中考虑，创新性的提出星系暗物质晕的衰变效应可观测，并指出暗光子的三体衰变的能谱有明显的尖峰。对于宇宙微波背景辐射偶极矩的反常，本项目也提出一个独特的解释，将偶极矩的反常和暴涨之前的宇宙弦拓扑缺陷的残余联系起来，给出了一个对微波背景偶极矩反常的自然和新颖的解释。本项目已发表或待发表论文3篇 (arXiv:1509.00673; arXiv:1507.04672; Int.J.Mod.Phys. D24 no.13, 1545009)，The European Physical Journal C待修改论文一篇 (arXiv:1606.01492)，Physical Review审稿中论文一篇 (arXiv:1610.08378)，待投稿论文一篇 (arXiv:1612.03708)，待出版著作1本(Axion BEC, a model beyond CDM; World Scientific Publishing Company)。