Unitarité liée à la matière noire dans des scénarios de réchauffage à basse température : résumé et introduction

Tableau des liens

• Résumé et introduction
• Matrice S : l’unité et ses conséquences
• Annihilation de la matière noire et unitéarité liée
• Réchauffage à basse température
• Congélation avec réchauffage à basse température
• Sommaire et conclusion
• Remerciements et références

Abstrait

La limite supérieure théorique indépendante du modèle sur la masse thermique de matière noire (DM) peut être dérivée de la section efficace inélastique maximale de DM représentant toute l'abondance observée de DM. Nous déployons l'unité d'onde partielle de la matrice de diffusion pour dériver la section efficace maximale moyenne thermiquement pour les processus généraux de changement de nombre r → 2 (avec r ≥ 2), qui peuvent impliquer des particules de modèle standard ou se produire uniquement dans le secteur sombre. La limite supérieure habituelle de la masse du DM pour l'annihilation de l'onde S est d'environ 130 TeV (1 GeV) pour r = 2 (3), et ne s'applique que dans le cas d'un gel se produisant dans le scénario cosmologique standard. Nous considérons les effets de deux évolutions cosmologiques non standard, caractérisées par un réchauffement à basse température : i) un scénario de type kination et ii) un scénario précoce dominé par la matière. Dans le premier cas, le gel précoce renforce l’unitarité liée à quelques TeV pour les WIMP ; tandis que dans le second cas, WIMP DM peut atteindre ∼ 1010 GeV en raison d'une forte dilution d'entropie.

1. Introduction

La prise en compte d'un paradigme de production de DM spécifique au tout début de l'univers pourrait limiter davantage la plage de masse d'un candidat DM viable. Par exemple, l’annihilation par paire de particules DM en SM détermine sa densité de masse actuelle, où elle maintient l’équilibre chimique et cinétique avec la soupe thermique de l’univers primitif. Il est intéressant de noter que l’exigence d’unité de la matrice S fixe une limite supérieure indépendante du modèle sur la masse du DM pour ce scénario [12, 13]. L'implication de l'unitarité offre la section efficace inélastique maximale, qui fixe la densité numérique minimale du DM gelé. En utilisant cette densité numérique, on peut établir la masse maximale autorisée de DM en respectant la densité relique observée. Dans les théories du DM avec des forces à longue portée, des états liés du DM peuvent se former et donc relâcher la limite d'unité en supprimant le taux d'annihilation inélastique [14-16]. De plus, les secteurs sombres présentant une asymétrie particule-antiparticule renforcent l'appréhension du potentiel chimique d'équilibre non nul pour le DM, limitant davantage les limites d'unité en raison de la demande d'une densité numérique effective accrue du DM au moment du gel (15, 17). . De plus, différentes recherches indirectes de DM peuvent imposer une limite inférieure à la masse de DM pour certains scénarios spécifiés. Une limite inférieure forte, indépendante du modèle, pour le DM thermique qui s'annihile vers les états visibles via un processus d'onde S est d'environ 20 GeV [18]. De plus, une limite inférieure plus restrictive a été récemment trouvée. Il a été démontré que la limite inférieure est de 200 GeV, en tenant compte de HESS et d'autres données d'observation mises à jour [19].

En particulier, tous les scénarios DM mentionnés jusqu'à présent prêtent attention au processus de changement de nombre 2 → 2 dans lequel une paire DM s'annihile en une paire de particules SM, c'est-à-dire le paradigme des particules massives à faible interaction (WIMP) [20-22] .[1] De plus, il n’est pas nécessaire que les processus de changement de nombre impliquent des particules SM ; ils peuvent donc également se produire dans le secteur sombre. La réalisation minimaliste de ce scénario est le processus 3 → 2, dans lequel ce type de réaction de changement de nombre implique une seule espèce de DM. En général, de tels processus apparaissent dans les théories DM avec de nouvelles auto-interactions importantes, et dans plusieurs contextes tels que le DM à interaction automatique [29-31], le paradigme des particules massives à interaction forte (SIMP) [32-49], ou même le paradigme ELastically. Scénario DEcoupling Relic (ELDER) [50, 51].

Il est essentiel de mentionner que les débuts de l’histoire de l’univers jouent un rôle crucial dans la genèse du DM, puisque le découplage du DM thermique s’est produit à cette époque. Généralement, les études sur la DM considèrent l'image cosmologique standard dans laquelle la densité d'énergie du rayonnement est supposée dominer le bilan énergétique avant la nucléosynthèse du Big Bang (BBN). Cependant, il n’existe aucune preuve directe du contenu énergétique à très haute température. Il est donc essentiel d’examiner les effets d’une cosmologie modifiée sur la production de DM. Ces derniers temps, l’évolution du DM au cours de la période d’expansion non standard généralement déclenchée par la désintégration d’une particule massive à vie longue [48, 52-71] ou par l’évaporation de Hawking de trous noirs primordiaux [72-95] est recevant une attention croissante.[2] Toutes ces études indiquent qu’une cosmologie non standard modifie la valeur de la section efficace moyenne thermiquement nécessaire pour satisfaire la relique observée de DM. Une telle modification de la section efficace moyenne thermiquement peut également modifier la limite de masse unitaire du DM. Dans un article récent, les auteurs ont étudié l'impact de la domination de la matière primitive sur les limites d'unitarité [112].

Cet article est décoré comme suit. Dans les sections 2 et 3, nous présentons le calcul détaillé de la section efficace moyenne thermiquement maximale autorisée par l'unitarité de la Smatrix. Nous discutons de deux images cosmologiques non standard différentes : le réchauffement de type kination et le réchauffement tardif dans la section 4. La section 5 montre les expressions analytiques du gel et des sections efficaces pour l'univers dominé par les radiations et les cosmologies modifiées mentionnées, et nous avons également démontrer nos résultats. Enfin, nous résumons nos résultats dans la section 6.

[1] Alternativement, on peut aussi avoir à l’état final une particule DM et une particule SM (semi-annihilations) [23-27], ou à l’état initial une particule DM et une autre particule du secteur sombre (coannihilations) [28] .

[2] Pour les études sur la baryogenèse avec une faible température de réchauffage ou pendant une phase précoce dominée par la matière, voir Réf. [52, 96-100] et [101-104], respectivement. De plus, la production d’ondes gravitationnelles primordiales dans des scénarios impliquant une ère de matière précoce a récemment fait l’objet d’une attention particulière [105-111].