We revisit the formation of a thermal population of hadronic axions in nonstandard cosmologies, in light of the recent developments in obtaining continuous and smooth interaction rates for both the gluon and photon couplings. For certain cosmological histories, such as low-temperature reheating (LTR) and kinationlike scenarios, the thermalization of the axion can be severely delayed to higher masses. In the case that thermal equilibrium is achieved, we improve the constraints on LTR for axion masses around the eV scale with respect to previous works and we constrain for the first time early matter-dominated cosmologies. We also point out the possibility of having the coexistence of cold and warm dark matter populations of axions in kinationlike scenarios in the eV mass range. Published by the American Physical Society 2024

Abstract We investigate a novel reheating scenario proceeding through s-channel inflaton annihilation, mediated by a massive scalar. If the inflaton ϕ oscillates around the minimum of a monomial potential ∝ ϕ n , we reveal the emergence of resonance phenomena originating from the dynamic evolution of the inflaton mass for n >2. Consequently, a resonance appears in both the radiation and the temperature evolution during the reheating process. By solving the coupled Boltzmann equations, we present solutions for radiation and temperature. We find non-trivial temperature characteristics during reheating, depending on the value of n and the masses of the inflaton and mediator. Some phenomenological aspects of the model are explored. As a concrete example, we show that the same mediator participates in the genesis of dark matter, modifying the standard freeze-in dynamics. In addition, we demonstrate that the resonant reheating scenario could be tested by next-generation low- and high-frequency gravitational wave detectors.