Unitariedade vinculada à matéria escura em cenários de reaquecimento em baixa temperatura: resumo e introdução

Tabela de links

• Resumo e introdução
• Matriz S: Unitariedade e suas Consequências
• Aniquilação da matéria escura e limite de unidade
• Reaquecimento a baixa temperatura
• Congelar com reaquecimento em baixa temperatura
• Resumo e conclusão
• Agradecimentos e Referências

Abstrato

O limite superior teórico independente do modelo na massa térmica da matéria escura (MS) pode ser derivado da seção transversal inelástica máxima do DM apresentando toda a abundância de MS observada. Implementamos a unitariedade de ondas parciais da matriz de espalhamento para derivar a seção transversal máxima com média térmica para processos gerais de mudança de número r → 2 (com r ≥ 2), que podem envolver partículas do modelo padrão ou ocorrer apenas dentro do setor escuro. O limite superior usual da massa DM para a aniquilação da onda S é de cerca de 130 TeV (1 GeV) para r = 2 (3), aplica-se apenas no caso de um congelamento ocorrendo no cenário cosmológico padrão. Consideramos os efeitos de duas evoluções cosmológicas não padronizadas, caracterizadas por reaquecimento em baixa temperatura: i) um cenário semelhante ao da cinação e ii) um cenário inicial dominado pela matéria. No primeiro caso, o congelamento antecipado fortalece a unitariedade vinculada a poucos TeVs para WIMPs; enquanto no segundo caso, o WIMP DM pode ser tão pesado quanto ∼ 1010 GeV devido a uma grande diluição de entropia.

1. Introdução

A consideração de um paradigma específico de produção de DM no estágio inicial do universo pode restringir ainda mais a faixa de massa para um candidato viável de DM. Por exemplo, a aniquilação de pares de partículas DM em partículas SM, que muda o número, determina sua densidade de massa atual, onde mantém o equilíbrio químico e cinético com a sopa térmica no universo primitivo. Curiosamente, o requisito da unitariedade da matriz S estabelece um limite superior independente do modelo na massa DM para este cenário [12, 13]. A implicação da unitariedade oferece a seção transversal inelástica máxima, que fixa a densidade numérica mínima do DM congelado. Usando esta densidade numérica, pode-se estabelecer a massa máxima permitida de MS, cumprindo a densidade de relíquia observada. Nas teorias de DM com forças de longo alcance, estados ligados de DM podem se formar e, portanto, relaxar o limite de unitariedade, suprimindo a taxa de aniquilação inelástica [14–16]. Além disso, setores escuros com assimetria partícula-antipartícula reforçam a apreensão do potencial químico de equilíbrio diferente de zero para DM, restringindo ainda mais os limites de unitariedade devido à demanda por um aumento na densidade numérica efetiva de DM no momento do congelamento [15, 17] . Além disso, diferentes pesquisas indiretas de DM podem colocar um limite inferior na massa de DM para alguns cenários específicos. Um forte limite inferior independente do modelo para o DM térmico que está aniquilando estados visíveis através de um processo de onda s é de cerca de 20 GeV [18]. Além disso, foi recentemente encontrado um limite inferior mais restritivo. Foi demonstrado que o limite inferior é de 200 GeV, considerando HESS e outros dados observacionais atualizados [19].

Em particular, todos os cenários DM mencionados até agora prestam atenção ao processo de mudança de número 2 → 2, onde um par DM se aniquila em um par de partículas SM, ou seja, o paradigma de Partículas Massivas de Interação Fraca (WIMP) [20–22] .[1] Além disso, não é necessário que os processos de mudança de número envolvam partículas SM, pelo que também podem ocorrer no sector escuro. A realização minimalista deste cenário é o processo 3 → 2, onde este tipo de reação de mudança de número envolve uma única espécie de DM. Em geral, tais processos surgem em teorias de DM com novas autointerações consideráveis, e em vários contextos como DM de autointeração [29–31], o paradigma de Partículas Massivas de Interação Fortemente Interativa (SIMP) [32–49], ou mesmo o paradigma ELasticamente Cenário DEcoupling Relic (ELDER) [50, 51].

É essencial mencionar que a história inicial do universo desempenha um papel crucial na gênese do DM, uma vez que o desacoplamento do DM térmico ocorreu naquela época. Geralmente, os estudos de DM consideram o quadro cosmológico padrão no qual se presume que a densidade de energia da radiação domina o orçamento de energia antes da Nucleossíntese do Big Bang (BBN). No entanto, não há evidências diretas do conteúdo energético em temperaturas muito altas. Portanto, é vital observar os efeitos da cosmologia modificada na produção de DM. Nos últimos tempos, a evolução do DM no período de expansão não padrão geralmente desencadeada pelo decaimento de uma partícula massiva de vida longa [48, 52–71] ou pela evaporação de Hawking de buracos negros primordiais [72–95] é recebendo atenção crescente.[2] Todos esses estudos apontam para o fato de que a cosmologia não padronizada altera o valor da seção transversal média termicamente necessária para satisfazer a relíquia observada do DM. Tal modificação na seção transversal média termicamente também pode alterar o limite de massa unitário do DM. Em um artigo recente, os autores estudaram o impacto da dominação inicial da matéria nos limites de unitariedade [112].

Este artigo é decorado da seguinte forma. Nas Seções 2 e 3, apresentamos a derivação detalhada da seção transversal máxima média termicamente permitida pela unitariedade da Smatrix. Discutimos duas imagens cosmológicas não padronizadas diferentes: tipo kinação e reaquecimento tardio na Seção 4. A Seção 5 mostra as expressões analíticas para congelamento e seções transversais para o universo dominado pela radiação e as cosmologias modificadas mencionadas, e também demonstrar nossos resultados. Finalmente, resumimos nossas descobertas na Seção 6.

[1] Alternativamente, também se pode ter no estado final uma partícula DM e uma partícula SM (semi-aniquilações) [23–27], ou no estado inicial um DM e outra partícula do setor escuro (coaniquilações) [28] .

[2] Para estudos sobre bariogênese com baixa temperatura de reaquecimento ou durante uma fase inicial dominada pela matéria, consulte as Refs. [52, 96–100] e [101–104], respectivamente. Além disso, a produção de ondas gravitacionais primordiais em cenários com uma era da matéria inicial recebeu recentemente atenção especial [105–111].