Phenomenology of Axion Dark Matter

Ein guter Kandidat für die Dunkle Materie in unserem Universum ist das Axion. Es hat seinen Ursprung in der Lösung von Peccei und Quinn für das starke $\mathrm{CP}$ Problem. In der vorliegenden Arbeit, betrachten wir phenomenologische Konsequenzen von Axion-Dunkler-Materie, welche hauptsächliche durch die kosmologische Entwicklung des Axionfeldes hervorgerufen wird.

Unser Hauptaugenmerk liegt hierbei auf Szenarios in denen die Peccei-Quinn-Symmetry nach einer inflationären Phase gebrochen wird. Hier erwarten wir starke, so genannte isocurvature Fluktuationen in der Axionenergiedichte. ... mehrDiese können schon in einer frühen Phase des Universums von der kosmologischen Expansion entkoppeln und in gravitativ gebundene Objekte kollabieren. Diese werden Axion-Minicluster genannt. Indem wir die Massenfunktion dieser Minicluster berechnen, können wir das erste mal Vorhersagen für ihre Verteilung bezüglich der Masse und der Größe machen. Für ein QCD Axion mit der Masse $m_a\sim \mu\mathrm{eV}$ finde wir zum Beispiel typische Miniclustermassen von $M_{\mathrm{MC}}\sim 10^{-13}M_{\odot}$ und Größen von etwa $10^6~\mathrm{km}$.

Indem wir den eigentlich Kollaps der Minicluster numerisch simulieren, können wir auch deren Gleichgewichtszustand betrachten. Denn bis jetzt ist ungeklärt, ob die Minicluster in eine statische Axionstern-Konfiguration kollabieren oder ob sie eher den Zustand ähnlich einer dünnen, virialisierten Wolke annehmen. In der Tat zeigen unsere Simulation Hinweise für letzteres. Nach einer kurzen Phase des Kollapses scheint es als ob die Minicluster tatsächlich einer dünnen Wolke ähneln, die durch ein oszillierendes Verhältnis zwischen kinetischer und potentieller Energie gekennzeichnet ist.

In einem anderen Teil dieser Arbeit befassen wir uns mit den Effekten der isocurvature Fluktuation in der Axionenergiedichte für kosmologische Observablen, wie zum Beispiel dem kosmischem Mikrowellenhintergrund. Es stellt sich heraus, dass diese nur signifikant sind, falls das Axion extrem leicht ist. Indem wir die Daten von aktuellen Beobachtungen des kosmologischen Mikrowellenhintergrunds verwenden, können wir durch diese Effekte bereits einen großen Bereich, in dem extrem leichte Axionen die Dunkle Materie erklären können, ausschließen, nämlich Axionemassen von $10^{-24}~\mathrm{eV}-10^{-15}~\mathrm{eV}$.

Ferner betrachten wir auch kurz die experimentellen Möglichkeiten zum Nachweis von Axion-Dunkler-Materie. Es ist bekannt, dass in einem starken elektromagnetischen Feld die Axion-Dunkle-Materie schwache elektrische und magnetische Felder induziert. In einem Anhang dieser Arbeit diskutieren wir eine quantenfeldtheoretische Berechnung dieser induzierten Felder. Insbsondere betrachten wir den Zusammenhang zwischen der Ausdehnung des elektromagnetischen Feldes und der Axion-Compton-Wellenlänge.

The axion is a well-motivated dark matter (DM) candidate which has its origin in Peccei and Quinn's solution for the strong $\mathrm{CP}$ problem. In the present work, we study phenomenological implications of axion DM that mainly originate from its cosmological evolution.

We especially focus on scenarios where the Peccei-Quinn symmetry is broken after inflation. Here, we expect large isocurvature fluctuations in the axion energy density. These can eventually collapse into gravitationally bound objects, called miniclusters. By calculating the mass function of the axion miniclusters, we are for the first time able to give predictions on their distribution in mass and size. ... mehrWe find for a QCD axion with mass $m_a\sim \mu\mathrm{eV}$, a typical minicluster mass of $\sim 10^{-13}M_{\odot}$ and size of $\sim 10^6~\mathrm{km}$.

By numerically simulating the actual collapse of the axion overdensities after they decouple from the Hubble expansion, we also consider the equilibrium state of the axion miniclusters. Namely, a so far open question is if the miniclusters collapse into a static axion star configuration or rather form dilute virialized clouds. In fact, we find hints for the latter and it seems that after a short period of violent collapse the miniclusters take a quite dilute state which is characterized by an oscillating ratio of kinetic to potential energy.

In another part, we consider the effects of the axion isocurvature fluctuations on cosmological large-scale observables, like the cosmic microwave background (CMB). It turns out that these become only important for ultra-light axion-like particles (ULAs). Using observations of the CMB primary anisotropy spectrum we can show that due to these effects ULA DM with masses in a range $10^{-24}~\mathrm{eV}-10^{-15}~\mathrm{eV}$ can be strongly constrained.

Further, we also briefly review the experimental possibilities for axion detection experiments. For example, it is known that in a strong electromagnetic field, the DM axion background field can induce tiny electric and magnetic fields. In an appendix of the present work, we discuss a quantum field calculation of these induced fields with the main focus on the impact of the spatial size of the applied field in comparison to the axion Compton wavelength.