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：要約と結論

に Cosmological thinking: time, space and universal causation 3m2024/05/25

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この論文では、研究者らは非標準的な宇宙論を考慮し、散乱ユニタリー性を用いて熱的暗黒物質の質量の上限を確立しています。

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この論文はCC 4.0ライセンスの下でarxivで公開されています。

著者:

（１）ニコラス・ベルナル、ニューヨーク大学アブダビ校

（２）パルタ・コナール、物理研究研究所

（３）スディプタ・ショー、物理学研究所

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6. 要約と結論

暗黒物質 (DM) のド・ブロイ波長が銀河内に留まるための要件と恒星銀河団の安定性は、それぞれ DM 質量の下限と上限を提供することで、DM の許容質量範囲を広くしています。DM のいくつかの特性を指定すると、質量範囲をさらに狭めることができます。興味深いことに、初期宇宙における DM の熱生成を指定することにより、モデルに依存しない上限を設定できます。観測された DM の存在量と散乱行列からの部分波のユニタリー性は、共同で DM 質量の上限を設定します。主に、一般的な数変化プロセス 2 → r の非弾性断面積の上限は、プロセスの光学定理、行列要素、および弾性散乱断面積を使用して導くことができます。その後、詳細バランスの原理を適用して、r → 2 プロセスの熱平均断面積を取得できます。最後に、熱平均断面積のユニタリー性境界は、残留密度制約を満たす DM 質量の上限に変換されます。2 → 2 および 3 → 2 DM 消滅プロセスの最大許容 DM 質量は、それぞれ約 130 TeV および 1 GeV であることが知られています。ただし、これらの境界は粒子物理モデルに依存するだけでなく、宇宙の宇宙論的進化にも強く依存しており、宇宙がいわゆる「標準宇宙論シナリオ」に従っている場合にのみ有効です。

代わりに、この記事では、低温再加熱を特徴とする非標準的な宇宙論的設定における DM 質量の限界について検討します。特に、 i ) 初期宇宙が自由放射よりも速く希釈されるエネルギー密度を持つ流体によって支配されていたキネーションのようなシナリオ、およびii ) 非相対論的物質としてスケーリングされるエネルギー密度を持つ成分が初期宇宙を支配し、最終的に SM 粒子に崩壊する初期物質優位のシナリオに焦点を当てます。

まず、我々はキネーションのような宇宙を研究します。この宇宙では、凍結が早期に起こるため、標準的な放射線優位の図と比較して、観測される DM の量を飽和させるには、より大きな熱平均消滅断面積が必要です。その結果、DM 質量の上限は標準的な場合よりも厳しくなります。たとえば、再加熱温度が数 MeV (ビッグバン元素合成時代の開始に相当) と低い場合、通常の DM 質量の上限 m ≲ 130 TeV は、WIMP では数 TeV まで低下する可能性があります。

最後に、初期宇宙の進化についてはほとんどわかっていないことを強調しておきたい。宇宙論的インフレーションの終わりから物質と放射の均衡に至るまで、標準モデルの放射が支配的な宇宙という標準的な仮定と、非常に早い時期に起こるインフレーション支配の宇宙から放射支配の宇宙への移行は、当然のこととは言えない。それを念頭に置き、ここでは低温再加熱シナリオの場合のユニタリー性境界が DM に与える影響を研究した。