Axion cosmology

Tässä pro gradu -tutkielmassa tarkastellaan hiukkasfysiikan standardimallin U(1)_PQ-laajennukseen kuuluvan uuden skalaarikentän, aksionin, roolia kosmologiassa. Aluksi esittelemme valittuja paloja kosmologian standardimallista, joita tarvitsemme tarkasteltaessa aksionikentän evoluutiota varhaisessa maailmankaikkeudessa. Teemme myös katsauksen varhaisen maailmankaikkeuden faasitransitioihin ja niiden mukanaan tuomiin topologisiin defekteihin. Käymme myös läpi ns. U(1)_A-ongelman ja tätä seuranneen vahvan CP-ongelman perusteet. Jälkimmäisen ongelman yhtenä eleganteimmista ratkaisuista pidetään ns. Peccei-Quinn -laajennusta ja aksionikenttää. Tämän minimaalisen laajennuksen globaali kiraalinen U(1)_PQ-symmetria voidaan liittää hiukkasfysiikan standardimalliin usealla eri tavalla, joten kiinnitämme huomiota kirjallisuudessa ehdotettuihin erilaisiin aksionimalleihin. Tarkastelemme myös yleisesti aksionien hiukkasfenomenologiaa, teemme yleisen katsauksen kirjallisuuteen ja listaamme eri astrofysikaalisista havainnoista saatavia rajoitteita malliparametreille. Esittelemme myös lyhyesti aksionien löytämiseksi kehitettyjä havaintomenetelmiä ja koejärjestelmiä. Tutkielman pääpainona on tarkastella aksionien roolia pimeän aineen hiukkasena. Aksionit voivat muodostaa kosmologian standardimallin vaatiman kylmän pimeän aineen populaation joko ns. nolla-liikemäärä -moodiratkaisujen koherentilla oskillaatiolla, tai U(1)_PQ-symmetrian spontaanista symmetriarikosta syntyvien topologisten defektien, kuten säikeiden ja seinämien hajoamisella aksioneiksi. Laskemme näiden mekanismien tuottaman aksionien energiatiheyden, ja keskustelemme aksionituoton yksityskohdista, kuten aksionikentän tuottamista isokurvatuurifluktuaatioista inflaation aikana. Lopuksi teemme myös katsauksen kirjallisuudessa ehdotetun aksionien muodostaman Bose-Einstein kondensaatin keskeisiin väittämiin.