Unitaritätsgrenze für Dunkle Materie: Wiedererwärmung bei niedrigen Temperaturen

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

4. Aufwärmen bei niedriger Temperatur

wobei T der Temperatur des SM-Bades entspricht. Daraus folgt, dass die Hubble-Expansionsrate H daher

Die SM-Entropiedichte impliziert, dass die Temperatur des SM-Bades skaliert wie

Es ist jedoch interessant zu betonen, dass das kosmologische Standard-Szenario nicht garantiert ist und dass auch alternative Kosmologien hätten auftreten können [121]. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf Fälle, die durch eine Wiedererwärmung bei niedrigen Temperaturen gekennzeichnet sind. Diese Wiedererwärmung könnte der Periode direkt nach dem Ende der Inflation entsprechen oder einer sekundären Periode, in der eine zusätzliche Komponente über die SM-Strahlung hinaus die Energiedichte des Universums dominierte. Insbesondere werden zwei Szenarien untersucht: eines, bei dem die zusätzliche Komponente ϕ, die die Expansion des Universums dominierte, eine Energiedichte hat, die schneller verdünnt wird als Strahlung und nicht zerfällt (das heißt, ein kinationsähnliches Szenario), und das andere, bei dem ϕ als nichtrelativistische Materie skaliert und in SM-Partikel zerfällt (das heißt, ein frühes materiedominiertes Szenario). Diese beiden Szenarien werden im Folgenden beschrieben.

4.1. Kinationsähnlich

In diesem Szenario würde das Universum von einer Komponente ϕ dominiert, deren Energiedichte sich schneller ins Rote verschiebt als die freie Strahlung [113], denn

mit n > 0. Ein typisches Beispiel für dieses Szenario ist die Kination [122, 123], bei der n = 2. Allerdings sind auch größere Werte für n möglich, wie sie zum Beispiel im Zusammenhang mit ekpyrotischen [124, 125] oder zyklischen Szenarien [126–129] auftreten.

wobei wir berücksichtigt haben, dass, da ϕ nicht abnimmt, die SM-Entropie erhalten bleibt und die SM-Temperatur daher der in Gl. (4.4) gezeigten Standardskalierung folgt.

4.2. Frühe Materiedominanz

Daraus folgt, dass die Hubble-Expansionsrate ist

Nachdem die Entwicklung des Hintergrunds geklärt ist, werden im nächsten Abschnitt die Dynamik der thermischen DM in solchen alternativen kosmologischen Szenarien und insbesondere die Auswirkungen auf die Unitaritätsgrenze sorgfältig untersucht.

[4] Es ist erwähnenswert, dass der nicht-adiabatischen Periode im Allgemeinen eine adiabatische Periode mit ϕ-Dominanz und eine weitere Ära, die von SM-Strahlung dominiert wurde, vorausgegangen sein könnte. Hier nehmen wir jedoch an, dass das DM-Ausfrieren in der nicht-adiabatischen Periode stattfindet, sodass frühere Stadien des Universums keine Rolle spielen. Dies gilt, wenn ϕ mit dem Inflaton identifiziert wird oder einfach nur, wenn die nicht-adiabatische Ära lang genug ist.