Unitaridad ligada a la materia oscura en escenarios de recalentamiento a baja temperatura: resumen e introducción

Tabla de enlaces

• Resumen e introducción
• Matriz S: la unitaridad y sus consecuencias
• La aniquilación de la materia oscura y la unitaridad
• Recalentamiento a baja temperatura
• Congelación con recalentamiento a baja temperatura
• Resumen y conclusión
• Agradecimientos y Referencias

Abstracto

El límite superior teórico independiente del modelo de la masa de materia oscura térmica (DM) se puede derivar de la sección transversal inelástica máxima de DM que presenta toda la abundancia de DM observada. Implementamos la unitaridad de onda parcial de la matriz de dispersión para derivar la sección transversal máxima promediada térmicamente para procesos generales de cambio de números r → 2 (con r ≥ 2), que pueden involucrar partículas de modelo estándar o ocurrir únicamente dentro del sector oscuro. El límite superior habitual de la masa de DM para la aniquilación de la onda S es de alrededor de 130 TeV (1 GeV) para r = 2 (3), y sólo se aplica en el caso de que se produzca una congelación en el escenario cosmológico estándar. Consideramos los efectos de dos evoluciones cosmológicas no estándar, caracterizadas por un recalentamiento a baja temperatura: i) un escenario similar a la kinación y ii) un escenario temprano dominado por la materia. En el primer caso, la congelación anticipada refuerza la unitaridad limitada a unos pocos TeV para los WIMP; mientras que en el segundo caso, WIMP DM puede pesar hasta aproximadamente 1010 GeV debido a una gran dilución de entropía.

1. Introducción

La consideración de un paradigma de producción de DM específico en la etapa inicial del universo puede limitar aún más el rango de masas para un candidato viable de DM. Por ejemplo, la aniquilación del par de partículas DM a SM, que cambia de número, determina su densidad de masa actual, donde mantiene el equilibrio químico y cinético con la sopa térmica del universo primitivo. Curiosamente, el requisito de la unitaridad de la matriz S establece un límite superior independiente del modelo en la masa de DM para este escenario [12, 13]. La implicación de la unitaridad ofrece la sección transversal inelástica máxima, que fija la densidad numérica mínima del DM congelado. Usando esta densidad numérica, se puede establecer la masa máxima permitida de DM cumpliendo la densidad de reliquia observada de la misma. En las teorías de DM con fuerzas de largo alcance, se pueden formar estados ligados de DM y, por lo tanto, relajar la unitaridad ligada al suprimir la tasa de aniquilación inelástica [14-16]. Además, los sectores oscuros con asimetría partícula-antipartícula refuerzan la comprensión del potencial químico de equilibrio distinto de cero para la DM, lo que limita aún más los límites de unitaridad debido a la demanda de una mayor densidad numérica efectiva de DM en el momento de la congelación [15, 17]. . Además, diferentes búsquedas indirectas de DM pueden imponer un límite inferior a la masa de DM para algunos escenarios específicos. Un fuerte límite inferior independiente del modelo para la DM térmica que se aniquila a estados visibles a través de un proceso de onda s es de aproximadamente 20 GeV [18]. Además, recientemente se ha encontrado un límite inferior más restrictivo. Se ha demostrado que el límite inferior es 200 GeV, considerando HESS y otros datos de observación actualizados [19].

En particular, todos los escenarios de DM mencionados hasta ahora prestan atención al proceso de cambio de números 2 → 2 en el que un par de DM se aniquila en un par de partículas SM, es decir, el paradigma de partículas masivas de interacción débil (WIMP) [20-22]. .[1] Además, no es necesario que los procesos de cambio de número involucren partículas SM, por lo que también pueden ocurrir dentro del sector oscuro. La realización minimalista de este escenario es el proceso 3 → 2, donde este tipo de reacción de cambio de número involucra una sola especie de DM. En general, tales procesos surgen en las teorías de DM con nuevas autointeracciones considerables, y en varios contextos como DM autointeractuantes [29-31], el paradigma de Partículas Masivas de Interacción Fuerte (SIMP) [32-49], o incluso el paradigma de Partículas Masivas de Interacción Fuerte (SIMP) [32-49]. Escenario de reliquia de acoplamiento (ELDER) [50, 51].

Es fundamental mencionar que la historia temprana del universo juega un papel crucial en la génesis de la DM, ya que en esa época ocurrió el desacoplamiento de la DM térmica. Generalmente, los estudios de DM consideran la imagen cosmológica estándar en la que se supone que la densidad de energía de la radiación domina el presupuesto de energía antes de la Nucleosíntesis del Big Bang (BBN). Sin embargo, no existe evidencia directa del contenido energético a temperaturas muy altas. Por tanto, es vital observar los efectos de la cosmología modificada en la producción de DM. En los últimos tiempos, la evolución de la DM en el período de expansión no estándar generalmente provocada por la desintegración de una partícula masiva de larga vida [48, 52-71] o por la evaporación de Hawking de agujeros negros primordiales [72-95] es recibiendo una atención cada vez mayor.[2] Todos estos estudios apuntan al hecho de que la cosmología no estándar altera el valor de la sección transversal promediada térmicamente necesaria para satisfacer la reliquia observada de DM. Tal modificación en la sección transversal promediada térmicamente también puede cambiar el límite de masa unitario de DM. En un artículo reciente, los autores estudiaron el impacto de la dominación temprana de la materia en los límites de unitaridad [112].

Este artículo está decorado de la siguiente manera. En las Secciones 2 y 3, presentamos la derivación detallada de la sección transversal máxima promediada térmicamente permitida por la unitaridad de Smatrix. En la Sección 4 analizamos dos imágenes cosmológicas no estándar diferentes: tipo kinación y recalentamiento tardío. La Sección 5 muestra las expresiones analíticas para la congelación y las secciones transversales para el universo dominado por la radiación y las cosmologías modificadas mencionadas, y también demostrar nuestros resultados. Finalmente, resumimos nuestros hallazgos en la Sección 6.

[1] Alternativamente, también se puede tener en el estado final una partícula DM y una SM (semianiquilaciones) [23-27], o en el estado inicial una DM y otra partícula del sector oscuro (coaniquilaciones) [28] .

[2] Para estudios sobre bariogénesis con una temperatura de recalentamiento baja o durante una fase temprana dominada por la materia, consulte las Refs. [52, 96-100] y [101-104], respectivamente. Además, recientemente ha recibido especial atención la producción de ondas gravitacionales primordiales en escenarios con una era de la materia temprana [105-111].