轴子，类轴子和暗光子玻色型暗物质的宇宙学效应

QCD Axions, Axion Like Particles and Dark Photons from the hidden sector are very well motivated dark matter candidates. We find that these dark matter particles which are created from the misaligment mechanism can be unified within one theoretical frame. In addition, due to their bosonic natures and the extremely low temperatures given rise from the misaligment creations, these dark matter particles are in the boson condensate states which can lead to the super-fluid states. If these dark matter particles are indeed in the super-fluid states, their formation can be different from that of the conventional point-like particle dark matter. For example, the dark matter halos will form vertexes to accommodate net angular momentum, thus the density distribution of matter in a halo is changed which may solve the “Cuspy halo problem”. For the spin-1 dark photons, their spin polarization may be spontaneously broken thus form a cosmic scale spin domain. To summarize, our project aims to profound our understanding of the distinctions of the different dark matter models by studying their cosmological observable consequences.

QCD轴子，超弦理论中的类轴子，Hidden Sector中的暗光子均是非常有希望的暗物质候选者，我们通过仔细研究暗物质的misaligment产生机制，发现上述暗物质模型可在统一的框架下处理。并且由于它们的玻色子特性，外加misaligment机制所导致的极低初始温度，这三种粒子的暗物质均处于玻色凝聚状态，进而可能形成超流态。如果暗物质处于超流态，则其演化将会和传统点粒子暗物质有不同，例如，暗物质晕的角动量会导致vertex的出现，进而影响物质的密度分布，从而可能解决传统冷暗物质的一些疑难问题，例如“Cuspy halo problem”。此外，本项目还将探讨自旋为1的暗光子暗物质是否有自旋极化方向自发对称性破缺的可能，进而形成宇宙学尺度的spin domain。综上所述，本计划希望通过深入研究一类玻色型暗物质的宇宙学可观测效应而加深我们对不同暗物质模型的区别的认识。

暗物质的探索是当今物理学的热点和难点。QCD轴子，超弦理论中的类轴子，Hidden Sector中的暗光子均是波动型暗物质的最具希望的候选粒子之一。这三种暗物质可以在misalignment产生机制下在统一的框架内处理，并都具有形成玻色凝聚的可能性，和已经深入研究的WIMPs有比较大的唯象学的不同。本项目围绕此类波动型暗物质在宇宙学演化中的特性，提出QCD轴子暗物质玻色凝聚和宇宙早期中性氢原子可以形成特殊的热交换输运性质，通过量子加经典的计算发现宇宙21厘米微波的反常吸收效应可以通过QCD轴子暗物质凝聚来解释，并由此限制了轴子暗物质的质量区间，研究结果发表于Phys.Rev.Lett. 121(2018),111301和Int.J.Mod.Phys.D, (2021), 30: 2150041,并被国内外同行广泛讨论和引用，预测的轴子质量区间也成为国际轴子观测台IAXO计划（JHEP05(2021)137）的主要观测目标之一。对于超弦理论中的类轴子，本项目通过讨论类轴子弦的遗迹对早期宇宙微波背景辐射的超视界效应解释了Planck实验观测到的二级矩现象，Phys.Dark Univ. 26(2019)100407，此模型被作为国际上10种模型之一被综述论文所引用。此外我们还提出当轴子质量非常轻的时候，n=1的Froggat-Neilson模型和超高能标轴子存在相似性，可构建和弦理论及大统一模型相容的轴子理论，相应论文Mod.Phys.Lett.A 37(2022)2250055预言暗物质轴子源于弦/统一能标的味破坏过程，并可以通过外磁场调节下的氢原子超精细能级跃迁所测量，从而为自旋体系探测超高能标新物理提出了新的可能性。