Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Soliton Merger Rates and Enhanced Axion Dark Matter Decay

Published 24 Jan 2023 in astro-ph.CO, astro-ph.HE, and hep-ph | (2301.09769v2)

Abstract: Solitons are observed to form in simulations of dark matter (DM) halos consisting of bosonic fields. We use the extended Press-Schechter formalism to compute the mass function of solitons, assuming various forms for the relationship between halo mass and soliton mass. We further provide a new calculation of the rate of soliton major mergers. Solitons composed of axion DM are unstable above a critical mass, and decay to either relativistic axions or photons, depending on the values of the coupling constants. We use the computed soliton major merger rate to predict the enhanced DM decay rate due to soliton instability. For certain values of currently allowed axion parameters, the energy injection into the intergalactic medium from soliton decays to photons is comparable to or larger than the energy injection due to core collapse supernovae at $z>10$. A companion paper explores the phenomenology of such an energy injection.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (38)
  1. E. Seidel and W. M. Suen, Phys. Rev. Lett. 66, 1659 (1991).
  2. E. Seidel and W.-M. Suen, Phys. Rev. Lett. 72, 2516 (1994), arXiv:gr-qc/9309015 .
  3. F. S. Guzman and L. A. Urena-Lopez, Astrophys. J. 645, 814 (2006), arXiv:astro-ph/0603613 .
  4. P.-H. Chavanis, Phys. Rev. D 84, 043531 (2011), arXiv:1103.2050 [astro-ph.CO] .
  5. D. J. E. Marsh, Phys. Rept. 643, 1 (2016), arXiv:1510.07633 [astro-ph.CO] .
  6. M. Jain and M. A. Amin, Phys. Rev. D 105, 056019 (2022), arXiv:2109.04892 [hep-th] .
  7. N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
  8. B. Eggemeier and J. C. Niemeyer, Phys. Rev. D 100, 063528 (2019), arXiv:1906.01348 [astro-ph.CO] .
  9. D. J. E. Marsh and A.-R. Pop, MNRAS 451, 2479 (2015), arXiv:1502.03456 .
  10. A. Loeb and M. Zaldarriaga, Phys. Rev. D 71, 103520 (2005), arXiv:astro-ph/0504112 .
  11. T. Hartwig et al., Astrophys. J. 936, 45 (2022), arXiv:2206.00223 [astro-ph.GA] .
  12. Y. Akrami et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A10 (2020), arXiv:1807.06211 [astro-ph.CO] .
  13. G. L. Bryan and M. L. Norman, Astrophys. J. 495, 80 (1998), arXiv:astro-ph/9710107 .
  14. J. C. Niemeyer, Progress in Particle and Nuclear Physics 113, 103787 (2020), arXiv:1912.07064 [astro-ph.CO] .
  15. M. Nori and M. Baldi, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 501, 1539 (2021), arXiv:2007.01316 [astro-ph.CO] .
  16. A. Taruya and S. Saga, Phys. Rev. D 106, 103532 (2022), arXiv:2208.06562 [astro-ph.CO] .
  17. R. K. Sheth and G. Tormen, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 329, 61 (2002), arXiv:astro-ph/0105113 .
  18. D. J. E. Marsh and J. Silk, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 437, 2652 (2014), arXiv:1307.1705 [astro-ph.CO] .
  19. D. J. Kaup, Phys. Rev. 172, 1331 (1968).
  20. F. Michel and I. G. Moss, Phys. Lett. B 785, 9 (2018), arXiv:1802.10085 [gr-qc] .
  21. M. P. Hertzberg and E. D. Schiappacasse, JCAP 11, 004 (2018), arXiv:1805.00430 [hep-ph] .
  22. A. V. Sokolov and A. Ringwald,   (2022), arXiv:2205.02605 [hep-ph] .
  23. R. Adam et al. (Planck), Astron. Astrophys. 596, A108 (2016), arXiv:1605.03507 [astro-ph.CO] .
  24. C. G. Lacey and S. Cole, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 262, 627 (1993).
  25. C. G. Lacey and S. Cole, Mon. Not. Roy. Astron. Soc. 271, 676 (1994), arXiv:astro-ph/9402069 .
  26. S. Sasaki, PASJ 46, 427 (1994).
  27. J. E. Gunn and I. Gott, J. Richard, ApJ 176, 1 (1972).
  28. T. Kitayama and Y. Suto, Astrophys. J. 469, 480 (1996), arXiv:astro-ph/9604141 .
  29. W. J. Percival, Astron.Astrophys. 443, 819 (2005), arXiv:astro-ph/0508156 [astro-ph] .
  30. R. K. Sheth and G. Tormen, MNRAS 308, 119 (1999), arXiv:astro-ph/9901122 [astro-ph] .
  31. V. Anastassopoulos et al. (CAST), Nature Phys. 13, 584 (2017), arXiv:1705.02290 [hep-ex] .
  32. A. J. Benson, New Astronomy 17, 175 (2012), arXiv:1008.1786 [astro-ph.CO] .
  33. J. Lesgourgues, arXiv e-prints , arXiv:1104.2932 (2011), arXiv:1104.2932 [astro-ph.IM] .
  34. S. Passaglia and W. Hu, Phys. Rev. D 105, 123529 (2022), arXiv:2201.10238 [astro-ph.CO] .
  35. A. Benson et al., In preparation  (2023).
  36. D. J. Eisenstein and W. Hu, Astrophys. J. 496, 605 (1998), arXiv:astro-ph/9709112 .
  37. S. Chandrasekhar, ApJ 97, 255 (1943).
  38. B. Diemer and M. Joyce, Astrophys. J. 871, 168 (2019), arXiv:1809.07326 [astro-ph.CO] .
Citations (23)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 2 tweets with 3 likes about this paper.

Sign Up for Free