Унитарность, связанная с темной материей в сценариях низкотемпературного повторного нагрева: Аннотация и введение

Таблица ссылок

• Аннотация и введение
• S-матрица: унитарность и ее последствия
• Аннигиляция темной материи и граница унитарности
• Низкотемпературный подогрев
• Вымораживание с низкотемпературным повторным нагревом
• Резюме и заключение
• Благодарности и ссылки

Абстрактный

Независимая от модели теоретическая верхняя граница массы тепловой темной материи (ТМ) может быть получена из максимального неупругого сечения ТМ, охватывающего все наблюдаемое содержание ТМ. Мы используем парциальную унитарность матрицы рассеяния, чтобы получить максимальное термически усредненное сечение для общих процессов изменения чисел r → 2 (с r ≥ 2), которые могут включать частицы стандартной модели или происходить исключительно в темном секторе. Обычный верхний предел массы ТМ для аннигиляции s-волны составляет около 130 ТэВ (1 ГэВ) для r = 2 (3), и применяется только в случае замерзания, происходящего в стандартном космологическом сценарии. Мы рассматриваем эффекты двух нестандартных космологических эволюций, характеризующихся низкотемпературным разогревом: i) сценарий, подобный кинированию, и ii) ранний сценарий с доминированием материи. В первом случае раннее замораживание усиливает унитарность, связанную с несколькими ТэВ для вимпов; а во втором случае WIMP DM может достигать ∼ 1010 ГэВ из-за большого энтропийного разбавления.

1. Введение

Рассмотрение конкретной парадигмы производства DM на ранней стадии развития Вселенной может еще больше ограничить диапазон масс жизнеспособного кандидата DM. Например, парная аннигиляция ТМ и частиц СМ с изменением числа определяет ее текущую массовую плотность, при которой она поддерживает химическое и кинетическое равновесие с тепловым супом в ранней Вселенной. Интересно, что требование унитарности S-матрицы устанавливает модельно-независимую верхнюю границу массы ТМ для этого сценария [12, 13]. Следствие унитарности обеспечивает максимальное неупругое сечение, фиксирующее минимальную плотность замороженной ТМ. Используя эту числовую плотность, можно установить максимально допустимую массу ТМ, выполнив наблюдаемую ее реликтовую плотность. В теориях ТМ с дальнодействующими силами связанные состояния ТМ могут образовываться и, следовательно, ослаблять связь унитарности за счет подавления скорости неупругой аннигиляции [14–16]. Кроме того, темные сектора с асимметрией частица-античастица усиливают понимание ненулевого равновесного химического потенциала ТМ, еще больше ограничивая пределы унитарности из-за требования увеличения эффективной плотности числа ТМ во время замерзания [15, 17] . Более того, различные косвенные поиски DM могут устанавливать более низкий предел массы DM для некоторых определенных сценариев. Сильная модельно-независимая нижняя граница для тепловой ТМ, аннигилирующей в видимые состояния посредством s-волнового процесса, составляет около 20 ГэВ [18]. Кроме того, недавно был установлен более строгий нижний предел. Было показано, что нижняя граница составляет 200 ГэВ с учетом HESS и других обновленных наблюдательных данных [19].

В частности, во всех сценариях DM, упомянутых до сих пор, внимание уделяется процессу изменения числа 2 → 2, когда пара DM аннигилирует в пару частиц SM, то есть парадигме слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) [20–22] .[1] Более того, не обязательно, чтобы в процессах изменения чисел участвовали частицы СМ, поэтому они могут происходить и внутри темного сектора. Минималистической реализацией этого сценария является процесс 3 → 2, где такого рода реакция изменения числа включает в себя один вид DM. В общем, такие процессы возникают в теориях ТМ с новыми значительными самодействиями, а также в некоторых контекстах, таких как самодействующая ТМ [29–31], парадигма сильно взаимодействующих массивных частиц (SIMP) [32–49] или даже парадигма упруго взаимодействующих частиц (SIMP). Сценарий DEcoupling Relic (ELDER) [50, 51].

Важно отметить, что ранняя история Вселенной играет решающую роль в генезисе ТМ, поскольку именно в это время произошло отделение тепловой ТМ. В целом исследования ТМ рассматривают стандартную космологическую картину, в которой предполагается, что плотность энергии излучения доминирует над энергетическим балансом до Нуклеосинтеза Большого Взрыва (BBN). Однако прямых доказательств содержания энергии при очень высоких температурах нет. Поэтому крайне важно изучить влияние модифицированной космологии на производство ТМ. В последнее время наблюдается эволюция ТМ в период нестандартного расширения, обычно запускаемая распадом долгоживущей массивной частицы [48, 52–71] или испарением Хокинга первичных черных дыр [72–95]. уделяется все больше внимания.[2] Все подобные исследования указывают на то, что нестандартная космология изменяет значение термически усредненного сечения, необходимого для удовлетворения наблюдаемого реликта ТМ. Такая модификация термически усредненного сечения может также изменить границу унитарности массы ТМ. В недавней статье авторы изучили влияние доминирования ранней материи на пределы унитарности [112].

Эта статья оформлена следующим образом. В разделах 2 и 3 мы представляем подробный вывод максимального термически усредненного сечения, допускаемого унитарностью Smatrix. В разделе 4 мы обсуждаем две разные нестандартные космологические картины: кинацию и поздний повторный нагрев. В разделе 5 показаны аналитические выражения для замерзания и сечений для Вселенной с преобладанием радиации и упомянутых модифицированных космологий, а также мы продемонстрировать наши результаты. Наконец, мы суммируем наши выводы в разделе 6.

[1] Альтернативно, возможно также наличие в конечном состоянии ТМ и частицы СМ (полуаннигиляции) [23–27], либо в исходном состоянии ТМ и другой частицы темного сектора (коаннигиляции) [28] .

[2] Об исследованиях бариогенеза при низкой температуре повторного нагрева или на ранней фазе доминирования вещества см. Refs. [52, 96–100] и [101–104] соответственно. Кроме того, в последнее время особое внимание уделяется образованию первичных гравитационных волн в сценариях с эрой ранней материи [105–111].