निम्न-तापमान पुनःतापन परिदृश्यों में डार्क मैटर पर यूनिटैरिटी बाउंड: सार और परिचय

लिंक की तालिका

• सार और परिचय
• एस-मैट्रिक्स: एकता और इसके परिणाम
• डार्क मैटर विनाश और यूनिटैरिटी बाउंड
• कम तापमान पर पुनः गर्म करना
• कम तापमान पर पुनः गर्म करके फ्रीज-आउट करें
• सार और निष्कर्ष
• आभार और संदर्भ

अमूर्त

थर्मल डार्क मैटर (डीएम) द्रव्यमान पर मॉडल-स्वतंत्र सैद्धांतिक ऊपरी सीमा को संपूर्ण देखी गई डीएम प्रचुरता की विशेषता वाले अधिकतम अप्रत्यास्थ डीएम क्रॉस-सेक्शन से प्राप्त किया जा सकता है। हम सामान्य संख्या-परिवर्तनशील प्रक्रियाओं r → 2 (r ≥ 2 के साथ) के लिए अधिकतम थर्मली-औसत क्रॉस-सेक्शन प्राप्त करने के लिए बिखरने वाले मैट्रिक्स की आंशिक-तरंग एकता को तैनात करते हैं, जिसमें मानक मॉडल कण शामिल हो सकते हैं या केवल डार्क सेक्टर के भीतर हो सकते हैं। s-तरंग विनाश के लिए डीएम द्रव्यमान पर सामान्य ऊपरी सीमा r = 2 (3) के लिए लगभग 130 TeV (1 GeV) है, यह केवल मानक ब्रह्माण्ड संबंधी परिदृश्य में होने वाले फ्रीज आउट के मामले में लागू होता है। हम दो गैरमानक ब्रह्माण्ड संबंधी विकासों के प्रभावों पर विचार करते हैं, जबकि दूसरे मामले में, WIMP DM बड़े एन्ट्रॉपी कमजोर पड़ने के कारण ∼ 1010 GeV जितना भारी हो सकता है।

1 परिचय

ब्रह्मांड के प्रारंभिक चरण में एक विशिष्ट डीएम उत्पादन प्रतिमान पर विचार करने से व्यवहार्य डीएम उम्मीदवार के लिए द्रव्यमान सीमा को और अधिक सीमित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, डीएम से एसएम कणों का संख्या-परिवर्तनशील युग्म विनाश इसके वर्तमान द्रव्यमान घनत्व को निर्धारित करता है, जहां यह प्रारंभिक ब्रह्मांड में थर्मल सूप के साथ रासायनिक और गतिज संतुलन बनाए रखता है। दिलचस्प बात यह है कि एस-मैट्रिक्स की एकता की आवश्यकता इस परिदृश्य के लिए डीएम द्रव्यमान पर एक मॉडल-स्वतंत्र ऊपरी सीमा निर्धारित करती है [12, 13]। एकता का निहितार्थ अधिकतम अप्रत्यास्थ क्रॉस-सेक्शन प्रदान करता है, जो जमे हुए डीएम की न्यूनतम संख्या घनत्व को ठीक करता है। इस संख्या घनत्व का उपयोग करके, कोई इसके देखे गए अवशेष घनत्व को पूरा करके अधिकतम अनुमत डीएम द्रव्यमान स्थापित कर सकता है। लंबी दूरी के बलों के साथ डीएम के सिद्धांतों में, डीएम की बंधी हुई अवस्थाएँ बन सकती हैं और इसलिए अप्रत्यास्थ विनाश दर को दबाकर एकता की सीमा को शिथिल कर सकती हैं [14-16]। इसके अलावा, कण-प्रतिकण विषमता वाले डार्क सेक्टर डीएम के लिए शून्येतर संतुलन रासायनिक क्षमता की आशंका को लागू करते हैं, फ्रीज-आउट के समय एक बढ़ी हुई प्रभावी डीएम संख्या घनत्व की मांग के कारण इकाई सीमाओं को और अधिक सीमित करते हैं [15, 17]। इसके अलावा, डीएम के लिए विभिन्न अप्रत्यक्ष खोज कुछ निर्दिष्ट परिदृश्यों के लिए डीएम द्रव्यमान पर एक निचली सीमा लगा सकती हैं। थर्मल डीएम के लिए एक मजबूत मॉडल-स्वतंत्र निचली सीमा जो एस-वेव प्रक्रिया के माध्यम से दृश्यमान अवस्थाओं में नष्ट हो रही है, लगभग 20 GeV [18] है। इसके अलावा, हाल ही में एक अधिक प्रतिबंधात्मक निचली सीमा पाई गई है। यह दिखाया गया है कि HESS और अन्य अद्यतन अवलोकन डेटा [19] पर विचार करते हुए निचली सीमा 200 GeV है।

विशेष रूप से, अब तक उल्लेखित सभी डीएम परिदृश्य 2 → 2 संख्या-परिवर्तनशील प्रक्रिया पर ध्यान देते हैं जहां एक डीएम जोड़ी एसएम कणों की एक जोड़ी में नष्ट हो जाती है, यानी कमजोर रूप से परस्पर क्रिया करने वाला विशाल कण (डब्ल्यूआईएमपी) प्रतिमान [20–22]। [1] इसके अलावा, यह आवश्यक नहीं है कि संख्या-परिवर्तनशील प्रक्रियाओं में एसएम कण शामिल हों, इसलिए वे अंधेरे क्षेत्र के भीतर भी हो सकते हैं। इस परिदृश्य का न्यूनतम कार्यान्वयन 3 → 2 प्रक्रिया है, जहां इस तरह की संख्या-परिवर्तनशील प्रतिक्रिया में एक एकल डीएम प्रजाति शामिल होती है। सामान्य तौर पर, ऐसी प्रक्रियाएँ डीएम सिद्धांतों में नए बड़े आकार के स्व-अंतःक्रियाओं के साथ उत्पन्न होती हैं,

यह उल्लेख करना आवश्यक है कि ब्रह्मांड का प्रारंभिक इतिहास डीएम उत्पत्ति में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि उस समय थर्मल डीएम का वियोजन हुआ था। आम तौर पर, डीएम के अध्ययन मानक ब्रह्मांडीय चित्र पर विचार करते हैं जिसमें विकिरण ऊर्जा घनत्व को बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस (बीबीएन) से पहले ऊर्जा बजट पर हावी माना जाता है। हालांकि, बहुत अधिक तापमान पर ऊर्जा सामग्री के लिए कोई प्रत्यक्ष प्रमाण नहीं है। इसलिए, डीएम के उत्पादन पर संशोधित ब्रह्मांड विज्ञान के प्रभावों को देखना महत्वपूर्ण है। हाल के दिनों में, गैर-मानक विस्तार की अवधि में डीएम का विकास आमतौर पर एक लंबे समय तक रहने वाले विशाल कण [48, 52-71] के क्षय या आदिम ब्लैक होल [72-95] के हॉकिंग वाष्पीकरण द्वारा ट्रिगर किया जाता है, जिस पर अधिक ध्यान दिया जा रहा है। [2] ऐसे सभी अध्ययन इस तथ्य की ओर इशारा करते हैं कि गैर-मानक ब्रह्मांड विज्ञान डीएम के देखे गए अवशेष को संतुष्ट करने के लिए आवश्यक थर्मली औसत क्रॉस सेक्शन के मूल्य को बदल देता है। थर्मली औसत क्रॉस-सेक्शन में इस तरह का संशोधन डीएम की यूनिटैरिटी द्रव्यमान सीमा को भी बदल सकता है। हाल के एक लेख में, लेखकों ने यूनिटैरिटी सीमाओं पर प्रारंभिक पदार्थ प्रभुत्व के प्रभाव का अध्ययन किया [112]।

इस लेख को इस प्रकार सजाया गया है। अनुभाग 2 और 3 में, हम स्मैट्रिक्स की एकता द्वारा अनुमत अधिकतम तापीय-औसत क्रॉस-सेक्शन की विस्तृत व्युत्पत्ति प्रस्तुत करते हैं। हम दो अलग-अलग गैर-मानक ब्रह्माण्ड संबंधी चित्रों पर चर्चा करते हैं: अनुभाग 4 में किनेनेशन-जैसे और देर से गर्म होने वाले। अनुभाग 5 विकिरण-प्रधान ब्रह्मांड और उल्लिखित संशोधित ब्रह्मांड विज्ञान के लिए फ्रीज-आउट और क्रॉस सेक्शन के लिए विश्लेषणात्मक अभिव्यक्तियाँ दिखाता है, और हम अपने परिणामों को भी प्रदर्शित करते हैं। अंत में, हम अनुभाग 6 में अपने निष्कर्षों का सारांश देते हैं।

[1] वैकल्पिक रूप से, अंतिम अवस्था में एक डीएम और एक एसएम कण (अर्ध-विनाश) [23-27] भी हो सकता है, या प्रारंभिक अवस्था में एक डीएम और डार्क सेक्टर का एक और कण (सह-विनाश) [28] हो सकता है।

[2] कम पुनःताप तापमान या प्रारंभिक पदार्थ-प्रधान चरण के दौरान बैरियोजेनेसिस पर अध्ययन के लिए, क्रमशः संदर्भ [52, 96–100] और [101–104] देखें। इसके अलावा, प्रारंभिक पदार्थ युग वाले परिदृश्यों में आदिम गुरुत्वाकर्षण तरंगों के उत्पादन पर हाल ही में विशेष ध्यान दिया गया है [105–111]।