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

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

6. Zusammenfassung und Fazit

Die Anforderung der de-Broglie-Wellenlänge der Dunklen Materie (DM), um sie in Galaxien zu halten, und die Stabilität des stellaren Galaxienhaufens legen gemeinsam einen breiten zulässigen Massenbereich für DM fest, indem sie jeweils die Unter- und Obergrenze der DM-Masse angeben. Durch die Angabe einiger Eigenschaften von DM kann der Massenbereich weiter eingegrenzt werden. Interessanterweise kann man die modellunabhängige Obergrenze festlegen, indem man die thermische Produktion von DM im frühen Universum angibt. Die beobachtete DM-Häufigkeit und die Unitarität der Partialwellen aus der Streumatrix setzen gemeinsam eine Obergrenze für die DM-Masse. In erster Linie können die Obergrenzen des unelastischen Wirkungsquerschnitts für einen allgemeinen zahlenverändernden Prozess 2 → r mithilfe des optischen Theorems, der Matrixelemente und des elastischen Streuwirkungsquerschnitts für den Prozess abgeleitet werden. Danach kann man den thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitt für den r → 2-Prozess erhalten, indem man das Prinzip der detaillierten Balance anwendet. Schließlich lassen sich die Unitaritätsgrenzen des thermisch gemittelten Wirkungsquerschnitts in die Obergrenzen der DM-Masse übersetzen, die die Reliktdichtebeschränkungen erfüllen. Es ist bekannt, dass die maximal zulässige DM-Masse für die 2 → 2 und 3 → 2 DM-Vernichtungsprozesse bei etwa 130 TeV bzw. 1 GeV liegt. Diese Grenzen hängen jedoch nicht nur vom Teilchenphysikmodell ab, sondern sind auch stark von der kosmologischen Entwicklung des Universums abhängig und gelten nur, wenn das Universum dem sogenannten „Standard-Kosmologie-Szenario“ folgt.

Stattdessen untersucht dieser Artikel die DM-Masse, die in nicht standardmäßigen kosmologischen Konfigurationen gebunden ist, die durch Wiedererwärmung bei niedrigen Temperaturen gekennzeichnet sind. Insbesondere konzentrieren wir uns auf i ) kinationsähnliche Szenarien, in denen das frühe Universum von einer Flüssigkeit mit einer Energiedichte dominiert wurde, die sich schneller verdünnt als freie Strahlung, und ii ) frühe materiedominierte Szenarien, in denen eine Komponente mit einer Energiedichte, die sich wie nichtrelativistische Materie skaliert, das frühe Universum dominiert und schließlich in SM-Partikel zerfällt.

Zunächst untersuchen wir das kinationsähnliche Universum, das einen größeren thermisch gemittelten Annihilationsquerschnitt erfordert, um die beobachtete DM-Häufigkeit zu sättigen, verglichen mit dem standardmäßigen strahlungsdominierten Bild, da in diesem Fall das Ausfrieren früher auftritt. Infolgedessen wird die Obergrenze der DM-Masse strenger als im Standardfall. Wenn beispielsweise die Wiedererhitzungstemperatur nur wenige MeV beträgt (entspricht dem Beginn der Nukleosynthese-Epoche des Urknalls), kann die übliche Grenze der DM-Masse m ≲ 130 TeV für WIMPs auf einige TeV reduziert werden.

Bevor wir zum Schluss kommen, möchten wir betonen, dass die Entwicklung des frühen Universums weitgehend unbekannt ist. Die Standardannahme eines Universums, das vom Ende der kosmologischen Inflation bis zur Gleichheit von Materie und Strahlung von der Strahlung des Standardmodells dominiert wird, zusammen mit einem Übergang von einem Inflaton-dominierten zu einem Strahlungs-dominierten Universum, der zu einem sehr frühen Zeitpunkt stattfindet, kann nicht als selbstverständlich vorausgesetzt werden. Vor diesem Hintergrund haben wir hier die Auswirkungen der Unitaritätsgrenze für DM im Fall von Niedertemperatur-Wiedererwärmungsszenarien untersucht.