A New Solution for the Observed Isotropic Cosmic Birefringence Angle and its Implications for the Anisotropic Counterpart through a Boltzmann Approach
Abstract: Cosmic Birefringence (CB) is a phenomenon in which the polarization of the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation is rotated as it travels through space due to the coupling between photons and an axion-like field. We look for a solution able to explain the result obtained from the \textit{Planck} Public Release 4 (PR4), which has provided a hint of detection of the CB angle, $\alpha=(0.30\pm0.11){\circ}$. In addition to the solutions, already present in the literature, which need a non-negligible evolution in time of the axion-like field during recombination, we find a new region of the parameter space which allows for a nearly constant time evolution of such a field in the same epoch. The latter reinforces the possibility to employ the commonly used relations connecting the observed CMB spectra with the unrotated ones, through trigonometric functions of the CB angle. However, if the homogeneous axion field sourcing isotropic birefringence is almost constant in time during the matter-dominated era, this does not automatically implies that the same holds true also for the associated inhomogeneous perturbations. For this reason, in this paper we present a full generalized Boltzmann treatment of this phenomenon, that is able, for the first time to our knowledge to deal with the time evolution of anisotropic cosmic birefringence (ACB). We employ this approach to provide predictions of ACB, in particular for the set of best-fit parameters found in the new solution of the isotropic case. If the latter is the correct model, we expect an ACB spectrum of the order of $(10{-15}\div10{-32})$ deg$2$ for the auto-correlation, and $(10{-7}\div10{-17})$ $\mu $K$\cdot\,$deg for the cross-correlations with the CMB $T$ and $E$ fields, depending on the angular scale.
- A. Lue, L. Wang, and M. Kamionkowski, Physical Review Letters 83, 1506 (1999).
- E. Komatsu, Nature Reviews Physics , 1 (2022).
- S. Alexander and J. Martin, Physical Review D 71, 063526 (2005).
- C. R. Contaldi, J. Magueijo, and L. Smolin, Physical review letters 101, 141101 (2008).
- S. Alexander and N. Yunes, Physics Reports 480, 1 (2009).
- L. Sorbo, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2011 (06), 003.
- J. M. Maldacena and G. L. Pimentel, Journal of High Energy Physics 2011, 1 (2011).
- M. M. Anber and L. Sorbo, Physical Review D 85, 123537 (2012).
- M. Shiraishi, A. Ricciardone, and S. Saga, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2013 (11), 051.
- M. Shiraishi,  (Springer Science & Business Media, 2013).
- J. L. Cook and L. Sorbo, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2013 (11), 047.
- M. Shiraishi, M. Liguori, and J. R. Fergusson, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2015 (01), 007.
- M. Shiraishi, Physical Review D 94, 083503 (2016).
- N. Bartolo and G. Orlando, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2017 (07), 034.
- N. Bartolo, G. Orlando, and M. Shiraishi, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2019 (01), 050.
- A. J. Duivenvoorden, P. D. Meerburg, and K. Freese, Physical Review D 102, 023521 (2020).
- O. H. E. Philcox, (2023), arXiv:2303.12106 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox and M. Shiraishi, (2023a), arXiv:2308.03831 [astro-ph.CO] .
- O. H. E. Philcox and M. Shiraishi, (2023b), arXiv:2312.12498 [astro-ph.CO] .
- R. N. Cahn, Z. Slepian, and J. Hou, arXiv preprint arXiv:2110.12004 (2021).
- J. Hou, Z. Slepian, and R. N. Cahn, arXiv preprint arXiv:2206.03625 (2022).
- O. H. Philcox, Physical Review D 106, 063501 (2022).
- G. Cabass, M. M. Ivanov, and O. H. Philcox, Physical Review D 107, 023523 (2023a).
- W. R. Coulton, O. H. E. Philcox, and F. Villaescusa-Navarro, (2023), arXiv:2306.11782 [astro-ph.CO] .
- P. L. Taylor, M. Craigie, and Y.-S. Ting, (2023), arXiv:2312.09287 [astro-ph.CO] .
- V. A. Kosteleckỳ and M. Mewes, Physics Letters B 757, 510 (2016).
- S. H. Alexander and N. Yunes, Physical Review D 97, 064033 (2018).
- K. Yagi and H. Yang, Physical Review D 97, 104018 (2018).
- L. Shao, Physical Review D 101, 104019 (2020).
- G. Orlando, M. Pieroni, and A. Ricciardone, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2021 (03), 069.
- R. Niu, T. Zhu, and W. Zhao, arXiv preprint arXiv:2202.05092 (2022b).
- M. Califano, R. D’Agostino, and D. Vernieri, (2023), arXiv:2311.02161 [gr-qc] .
- S. M. Carroll, G. B. Field, and R. Jackiw, Physical Review D 41, 1231 (1990).
- T. Namikawa, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 506, 1250 (2021).
- F. Naokawa and T. Namikawa, (2023), arXiv:2305.13976 [astro-ph.CO] .
- S. Gasparotto and I. Obata, arXiv preprint arXiv:2203.09409 (2022).
- M. Kamionkowski and A. G. Riess, (2022).
- K. Rezazadeh, A. Ashoorioon, and D. Grin, arXiv preprint arXiv:2208.07631 (2022).
- J. Preskill, M. B. Wise, and F. Wilczek, Physics Letters B 120, 127 (1983).
- L. F. Abbott and P. Sikivie, Physics Letters B 120, 133 (1983).
- M. Dine and W. Fischler, Physics Letters B 120, 137 (1983).
- G. Liu and K. Ng, Physics of the dark universe 16, 22 (2017).
- S. Nakagawa, F. Takahashi, and M. Yamada, Physical review letters 127, 181103 (2021).
- I. Obata, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2022 (09), 062.
- R.-P. Zhou, D. Huang, and C.-Q. Geng, arXiv preprint arXiv:2302.11140 (2023).
- D. J. Marsh, Physics Reports 643, 1 (2016).
- M. Jain, A. J. Long, and M. A. Amin, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2021 (05), 055.
- S. Cao and D. Boyanovsky, arXiv preprint arXiv:2212.05161 (2022).
- W. Lin and T. T. Yanagida, arXiv preprint arXiv:2208.06843 (2022).
- P. Diego-Palazuelos, (2023), arXiv:2304.03647 [astro-ph.CO] .
- W. W. Yin, L. Dai, and S. Ferraro, (2023b), arXiv:2305.02318 [astro-ph.CO] .
- S. Gasparotto and E. I. Sfakianakis, (2023), arXiv:2306.16355 [astro-ph.CO] .
- N. A. Nilsson and C. L. Poncin-Lafitte, (2023), arXiv:2311.16368 [astro-ph.CO] .
- B. D. Sherwin and T. Namikawa, arXiv preprint arXiv:2108.09287 (2021).
- H. Nakatsuka, T. Namikawa, and E. Komatsu, arXiv preprint arXiv:2203.08560 (2022).
- N. Lee, S. C. Hotinli, and M. Kamionkowski, arXiv preprint arXiv:2207.05687 (2022).
- A. Greco, N. Bartolo, and A. Gruppuso, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2023 (05), 026.
- T. Namikawa and I. Obata, (2023), arXiv:2306.08875 [astro-ph.CO] .
- M. Li and X. Zhang, Physical Review D 78, 103516 (2008).
- R. R. Caldwell, V. Gluscevic, and M. Kamionkowski, Physical Review D 84, 043504 (2011).
- W. Zhao and M. Li, Physical Review D 89, 103518 (2014).
- L. M. Capparelli, R. R. Caldwell, and A. Melchiorri, Physical Review D 101, 123529 (2020).
- F. Takahashi and W. Yin, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2021 (04), 007.
- A. Greco, N. Bartolo, and A. Gruppuso, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2022 (03), 050.
- R. Hagimoto and A. J. Long, (2023), arXiv:2306.07351 [astro-ph.CO] .
- J. R. Eskilt and E. Komatsu, arXiv preprint arXiv:2205.13962 (2022).
- D. Contreras, P. Boubel, and D. Scott, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2017 (12), 046.
- Y. Minami and E. Komatsu, Physical Review Letters 125, 221301 (2020).
- J. Eskilt, Astronomy & Astrophysics 662, A10 (2022).
- N. Miller, M. Shimon, and B. Keating, Physical Review D 79, 103002 (2009).
- B. G. Keating, M. Shimon, and A. P. Yadav, The Astrophysical Journal Letters 762, L23 (2012).
- A. J. Cukierman, S. Clark, and G. Halal, arXiv preprint arXiv:2208.07382 (2022).
- B. Jost, J. Errard, and R. Stompor, arXiv preprint arXiv:2212.08007 (2022).
- A. Loeb and A. Kosowsky, arXiv preprint astro-ph/9601055 (1996).
- G.-C. Liu, S. Lee, and K.-W. Ng, Physical Review Letters 97, 161303 (2006).
- F. Finelli and M. Galaverni, Physical Review D 79, 063002 (2009).
- G. Gubitosi, M. Martinelli, and L. Pagano, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2014 (12), 020.
- M. Galaverni, F. Finelli, and D. Paoletti, arXiv preprint arXiv:2301.07971 (2023).
- D. Blas, J. Lesgourgues, and T. Tram, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2011 (07), 034.
- A. Kosowsky, arXiv preprint astro-ph/9501045 (1995).
- W. Hu and M. White, Physical Review D 56, 596 (1997).
- M. Zaldarriaga and U. Seljak, Physical Review D 55, 1830 (1997).
- N. Bartolo, S. Matarrese, and A. Riotto, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2006 (06), 024.
- N. Bartolo, S. Matarrese, and A. Riotto, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 2007 (01), 019.
- N. Bartolo, S. Matarrese, and A. Riotto, in Les Houches Summer School - Session 86: Particle Physics and Cosmology: The Fabric of Spacetime (2007) arXiv:astro-ph/0703496 .
- S.-C. Su and E. A. Lim, Physical Review D 89, 123006 (2014).
- D. Varshalovich,  (World Scientific, 1988).
- L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Vol. 3 (Elsevier, 2013).
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.