低温再加熱シナリオにおける暗黒物質のユニタリー性限界：概要と序論

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• S 行列: ユニタリ性とその帰結
• 暗黒物質の消滅とユニタリー性の限界
• 低温再加熱
• 低温再加熱による凍結防止
• 要約と結論
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抽象的な

熱的暗黒物質 (DM) 質量に関するモデルに依存しない理論的上限は、観測された DM 存在量全体を考慮した最大非弾性 DM 断面積から導くことができる。我々は散乱行列の部分波ユニタリー性を展開し、標準モデル粒子が関与するか、またはダークセクター内でのみ発生する可能性のある一般的な数変化プロセス r → 2 (r ≥ 2) の最大熱平均断面積を導出する。s 波消滅に対する DM 質量の通常の上限は、r = 2 (3) の場合に約 130 TeV (1 GeV) であり、標準宇宙シナリオで凍結が発生する場合にのみ適用される。我々は、低温再加熱を特徴とする 2 つの非標準宇宙進化、i) キネーションのようなシナリオと ii) 初期物質優位シナリオの影響を検討する。最初のケースでは、一方、2番目のケースでは、WIMP DMは大きなエントロピー希釈により約1010 GeVまで重くなる可能性があります。

1. はじめに

宇宙の初期段階における特定の DM 生成パラダイムを考慮すると、実行可能な DM 候補の質量範囲がさらに制限される可能性があります。たとえば、DM から SM 粒子への数変化対消滅によって現在の質量密度が決定され、初期宇宙の熱スープとの化学的および運動学的平衡が維持されます。興味深いことに、S マトリックスのユニタリー性の要件により、このシナリオの DM 質量のモデルに依存しない上限が設定されます [12, 13]。ユニタリー性の意味は最大の非弾性断面積を提供し、凍結 DM の最小数密度を決定します。この数密度を使用して、観測された DM の残存密度を満たすことで、最大許容 DM 質量を確立できます。長距離力を含む DM の理論では、DM の束縛状態が形成され、非弾性消滅率を抑制することでユニタリー性の境界が緩和される可能性があります [14–16]。さらに、粒子-反粒子非対称性を持つダークセクターは、DMの非ゼロ平衡化学ポテンシャルの把握を強制し、凍結時の有効DM数密度の増加の要求によりユニタリー性制限をさらに制限します[15, 17]。さらに、DMのさまざまな間接探索により、特定のシナリオでDM質量の下限が設定される場合があります。s波プロセスを介して可視状態に消滅する熱DMのモデルに依存しない強い下限は約20 GeVです[18]。さらに、最近、より制限的な下限が見つかりました。HESSやその他の最新の観測データを考慮すると、下限は200 GeVであることが示されています[19]。

特に、これまでに述べたすべての DM シナリオは、DM ペアが SM 粒子のペアに消滅する 2 → 2 の数変更プロセス、つまり弱く相互作用する巨大粒子 (WIMP) パラダイムに注目しています [20–22]。[1] さらに、数変更プロセスに SM 粒子が関与する必要はないため、ダーク セクター内で発生する可能性もあります。このシナリオの最小限の実現は 3 → 2 プロセスであり、この種類の数変更反応には単一の DM 種が関与します。一般に、このようなプロセスは、新しい大きな自己相互作用を伴う DM 理論で発生し、自己相互作用 DM [29–31]、強く相互作用する巨大粒子 (SIMP) パラダイム [32–49]、さらには弾性脱結合遺物 (ELDER) シナリオ [50, 51] などのいくつかのコンテキストでも発生します。

宇宙の初期の歴史は DM 生成において重要な役割を果たしていることを言及することは不可欠です。なぜなら、熱 DM の分離はその時に起こったからです。一般に、DM の研究では、ビッグバン元素合成 (BBN) 以前のエネルギー収支では放射エネルギー密度が支配的であると想定される標準的な宇宙論的描像を考慮します。しかし、非常に高温でのエネルギー含有量に関する直接的な証拠はありません。したがって、修正された宇宙論が DM の生成に与える影響を調べることは非常に重要です。最近では、長寿命の巨大粒子の崩壊 [48、52–71] または原始ブラックホールのホーキング蒸発 [72–95] によって引き起こされる非標準的な膨張期間における DM の進化がますます注目を集めています。[2] こうした研究はすべて、非標準的な宇宙論が、観測された DM の痕跡を満たすために必要な熱的に平均化された断面積の値を変えるという事実を指摘しています。このような熱平均断面積の修正は、DMのユニタリー質量境界も変える可能性がある。最近の論文では、著者らは初期物質支配がユニタリー限界に与える影響を研究した[112]。

この論文は次のように構成されています。セクション 2 と 3 では、Smatrix のユニタリー性によって許容される最大熱平均断面積の詳細な導出を示します。セクション 4 では、2 つの異なる非標準宇宙論的描像、キネーション型と後期再加熱について説明します。セクション 5 では、放射優勢宇宙と前述の修正宇宙論の凍結と断面積の解析的表現を示し、結果も示します。最後に、セクション 6 で調査結果をまとめます。

[1] あるいは、最終状態ではDM粒子とSM粒子（半消滅）[23–27]が存在する場合もあれば、初期状態ではDM粒子とダークセクターの別の粒子（共消滅）[28]が存在する場合もある。

[2] 低い再加熱温度でのバリオン生成や初期の物質優位期の研究については、それぞれ文献[52, 96–100]と[101–104]を参照してください。さらに、初期物質時代のシナリオにおける原始重力波の生成は、最近特に注目されています[105–111]。