Unitaritätsgrenze für Dunkle Materie in Niedertemperatur-Wiedererwärmungsszenarien: Zusammenfassung und Einführung

Linktabelle

• Zusammenfassung und Einleitung
• S-Matrix: Unitarität und ihre Konsequenzen
• Vernichtung dunkler Materie und Unitaritätsgrenze
• Niedertemperatur-Wiedererwärmung
• Einfrieren mit Niedertemperatur-Wiedererwärmung
• Zusammenfassung und Schlussfolgerung
• Danksagungen und Referenzen

Abstrakt

Die modellunabhängige theoretische Obergrenze der thermischen Masse der Dunklen Materie (DM) kann aus dem maximal inelastischen Wirkungsquerschnitt der DM abgeleitet werden, der die gesamte beobachtete DM-Häufigkeit umfasst. Wir wenden die Partialwellenunitarität der Streumatrix an, um den maximalen thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt für allgemeine zahlenveränderliche Prozesse r → 2 (mit r ≥ 2) abzuleiten, an denen Standardmodellpartikel beteiligt sein können oder die ausschließlich innerhalb des Dunklen Sektors auftreten können. Die übliche Obergrenze der DM-Masse bei s-Wellen-Annihilation liegt bei etwa 130 TeV (1 GeV) für r = 2 (3) und gilt nur im Fall eines Ausfrierens, das im standardmäßigen kosmologischen Szenario auftritt. Wir betrachten die Auswirkungen zweier nicht standardmäßiger kosmologischer Entwicklungen, die durch Wiedererwärmung bei niedrigen Temperaturen gekennzeichnet sind: i) ein kinationsähnliches Szenario und ii) ein frühes materiedominiertes Szenario. Im ersten Fall verstärkt das frühe Ausfrieren die auf wenige TeV begrenzte Unitaritätsgrenze für WIMPs; während im zweiten Fall die WIMP-DM aufgrund einer großen Entropieverdünnung bis zu ∼ 1010 GeV schwer sein kann.

1. Einleitung

Die Berücksichtigung eines spezifischen Paradigmas zur DM-Produktion im frühen Stadium des Universums kann den Massenbereich für einen brauchbaren DM-Kandidaten weiter einschränken. Beispielsweise bestimmt die zahlenverändernde Paarvernichtung von DM zu SM-Partikeln seine gegenwärtige Massendichte, wobei sie das chemische und kinetische Gleichgewicht mit der thermischen Suppe im frühen Universum aufrechterhält. Interessanterweise setzt die Anforderung der Unitarität der S-Matrix eine modellunabhängige Obergrenze für die DM-Masse für dieses Szenario [12, 13]. Die Implikation der Unitarität bietet den maximalen inelastischen Wirkungsquerschnitt, der die minimale Anzahldichte des eingefrorenen DM festlegt. Unter Verwendung dieser Anzahldichte kann man die maximal zulässige DM-Masse festlegen, indem man die beobachtete Reliktdichte davon erfüllt. In den Theorien von DM mit Fernkräften können gebundene Zustände von DM entstehen und daher die Unitaritätsgrenze lockern, indem die inelastische Vernichtungsrate unterdrückt wird [14–16]. Darüber hinaus erzwingen dunkle Sektoren mit Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie die Annahme des von Null verschiedenen chemischen Gleichgewichtspotentials für DM, was die Unitaritätsgrenzen aufgrund der Forderung nach einer erhöhten effektiven DM-Anzahldichte zum Zeitpunkt des Einfrierens weiter einschränkt [15, 17]. Darüber hinaus können verschiedene indirekte Suchen nach DM eine Untergrenze für die DM-Masse für bestimmte Szenarien festlegen. Eine starke modellunabhängige Untergrenze für thermisches DM, das durch einen S-Wellen-Prozess in sichtbare Zustände zerfällt, liegt bei etwa 20 GeV [18]. Darüber hinaus wurde kürzlich eine restriktivere Untergrenze gefunden. Es wurde gezeigt, dass die Untergrenze bei 200 GeV liegt, wenn HESS- und andere aktualisierte Beobachtungsdaten berücksichtigt werden [19].

Insbesondere achten alle bisher erwähnten DM-Szenarien auf den 2 → 2-Zahlenänderungsprozess, bei dem ein DM-Paar zu einem Paar SM-Partikel vernichtet wird, also das WIMP-Paradigma (Weakly Interacting Massive Particle) [20–22]. [1] Darüber hinaus ist es nicht notwendig, dass die Zahlenänderungsprozesse SM-Partikel beinhalten, sie können also auch im dunklen Sektor auftreten. Die minimalistische Realisierung dieses Szenarios ist der 3 → 2-Prozess, bei dem diese Art von Zahlenänderungsreaktion eine einzelne DM-Spezies beinhaltet. Im Allgemeinen treten solche Prozesse in DM-Theorien mit neuen beträchtlichen Selbstwechselwirkungen und in mehreren Kontexten als selbstwechselwirkendes DM [29–31], das SIMP-Paradigma (Strongly Interacting Massive Particle) [32–49] oder sogar das ELastically DEcoupling Relic-Szenario (ELDER) [50, 51] auf.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass die frühe Geschichte des Universums eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von DM spielt, da die Entkopplung von thermischem DM zu dieser Zeit stattfand. Im Allgemeinen berücksichtigen die Studien zu DM das standardmäßige kosmologische Bild, in dem angenommen wird, dass die Strahlungsenergiedichte den Energiehaushalt vor der Urknall-Nukleosynthese (BBN) dominiert. Es gibt jedoch keine direkten Beweise für den Energiegehalt bei sehr hohen Temperaturen. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen einer modifizierten Kosmologie auf die Entstehung von DM zu untersuchen. In jüngster Zeit erhält die Entwicklung von DM in der Periode der nicht standardmäßigen Expansion, die normalerweise durch den Zerfall eines langlebigen massiven Teilchens [48, 52–71] oder durch die Hawking-Verdampfung primordialer Schwarzer Löcher [72–95] ausgelöst wird, zunehmende Aufmerksamkeit. [2] Alle diese Studien weisen darauf hin, dass die nicht standardmäßige Kosmologie den Wert des thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitts verändert, der erforderlich ist, um das beobachtete Relikt von DM zu erfüllen. Eine solche Änderung des thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitts kann auch die unitäre Massengrenze von DM verändern. In einem kürzlich erschienenen Artikel untersuchten die Autoren den Einfluss der frühen Materiedominanz auf Unitaritätsgrenzen [112].

Dieser Artikel ist wie folgt gegliedert. In den Abschnitten 2 und 3 präsentieren wir die detaillierte Herleitung des maximalen thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitts, der durch die Unitarität der S-Matrix zulässig ist. In Abschnitt 4 diskutieren wir zwei verschiedene nicht standardmäßige kosmologische Bilder: kinationsartige und spätzeitliche Wiedererwärmung. Abschnitt 5 zeigt die analytischen Ausdrücke für Freeze-out und Wirkungsquerschnitte für das strahlungsdominierte Universum und die erwähnten modifizierten Kosmologien, und wir demonstrieren auch unsere Ergebnisse. Abschließend fassen wir unsere Erkenntnisse in Abschnitt 6 zusammen.

[1] Alternativ kann man im Endzustand auch ein DM- und ein SM-Teilchen haben (Halbannihilationen) [23–27], oder im Anfangszustand ein DM und ein weiteres Teilchen des dunklen Sektors (Koannihilationen) [28].

[2] Für Studien zur Baryogenese bei niedriger Wiedererwärmungstemperatur oder während einer frühen materiedominierten Phase siehe Ref. [52, 96–100] bzw. [101–104]. Darüber hinaus wurde der Erzeugung primordialer Gravitationswellen in Szenarien mit einer frühen Materieära in jüngster Zeit besondere Aufmerksamkeit gewidmet [105–111].