Düşük Sıcaklıkta Yeniden Isıtma Senaryolarında Karanlık Maddeye Bağlı Birlik: Özet ve Giriş

Bağlantı Tablosu

• Özet ve Giriş
• S-matrisi: Birlik ve Sonuçları
• Karanlık Maddenin Yok Edilmesi ve Birlik Sınırı
• Düşük Sıcaklıkta Yeniden Isıtma
• Düşük Sıcaklıkta Yeniden Isıtma ile Donma
• Özet ve sonuç
• Teşekkür ve Referanslar

Soyut

Termal karanlık madde (DM) kütlesinin modelden bağımsız teorik üst sınırı, gözlemlenen tüm DM bolluğunu içeren maksimum elastik olmayan DM kesitinden türetilebilir. Standart model parçacıkları içerebilen veya yalnızca karanlık sektör içinde meydana gelebilen genel sayı değiştirme işlemleri r → 2 (r ≥ 2 ile) için maksimum termal ortalamalı kesiti türetmek üzere saçılma matrisinin kısmi dalga üniterliğini kullanırız. S-dalgasının yok edilmesi için DM kütlesinin olağan üst sınırı, r = 2 (3) için yaklaşık 130 TeV'dir (1 GeV), bu yalnızca standart kozmolojik senaryoda meydana gelen bir donma durumunda geçerlidir. Düşük sıcaklıktaki yeniden ısıtmayla karakterize edilen, standart olmayan iki kozmolojik evrimin etkilerini göz önünde bulunduruyoruz: i) kinasyon benzeri bir senaryo ve ii) erken dönem madde-egemen senaryosu. İlk durumda, erken dondurma, WIMP'ler için birkaç TeV'ye bağlı üniterliği güçlendirir; ikinci durumda ise WIMP DM, büyük bir entropi seyrelmesi nedeniyle ∼ 1010 GeV kadar ağır olabilir.

1. Giriş

Evrenin erken aşamasında spesifik bir DM üretim paradigmasının dikkate alınması, geçerli bir DM adayının kütle aralığını daha da kısıtlayabilir. Örneğin, DM'den SM parçacıklarına sayı değiştiren çiftin yok olması, evrenin erken dönemlerinde termal çorba ile kimyasal ve kinetik dengeyi koruduğu mevcut kütle yoğunluğunu belirler. İlginç bir şekilde, S-matrisinin üniterlik gerekliliği, bu senaryo için DM kütlesi üzerinde modelden bağımsız bir üst sınır belirler [12, 13]. Üniterliğin anlamı, donmuş DM'nin minimum sayı yoğunluğunu sabitleyen maksimum elastik olmayan kesiti sunar. Bu sayı yoğunluğunu kullanarak, izin verilen maksimum DM kütlesi, gözlemlenen kalıntı yoğunluğunu yerine getirerek belirlenebilir. Uzun menzilli kuvvetlere sahip DM teorilerinde, DM'nin bağlı durumları esnek olmayan yok olma oranını baskılayarak bağlı üniterliği oluşturabilir ve dolayısıyla gevşetebilir [14-16]. Ek olarak, parçacık-antipartikül asimetrisine sahip karanlık sektörler, DM için sıfır olmayan denge kimyasal potansiyelinin anlaşılmasını zorlar ve donma sırasında artan etkin DM sayısı yoğunluğu talebi nedeniyle üniterlik sınırlarını daha da kısıtlar [15, 17] . Ayrıca, DM için farklı dolaylı aramalar, bazı belirli senaryolar için DM kütlesine daha düşük bir sınır koyabilir. Bir s-dalgası süreci aracılığıyla görünür durumlara yok olan termal DM için modelden bağımsız güçlü bir alt sınır yaklaşık 20 GeV'dir [18]. Ayrıca son dönemde daha kısıtlayıcı bir alt sınır da bulunmuştur. HESS ve diğer güncel gözlemsel veriler dikkate alınarak alt sınırın 200 GeV olduğu gösterilmiştir [19].

Özellikle, şu ana kadar bahsedilen tüm DM senaryoları, bir DM çiftinin bir çift SM parçacığına dönüştüğü 2 → 2 sayı değiştirme sürecine, yani Zayıf Etkileşen Büyük Parçacık (WIMP) paradigmasına dikkat etmektedir [20-22] .[1] Üstelik sayı değiştirme süreçlerinin SM parçacıklarını içermesi gerekli değildir, dolayısıyla bunlar karanlık sektörde de meydana gelebilir. Bu senaryonun minimalist gerçekleştirilmesi, bu tür sayı değiştiren reaksiyonun tek bir DM türünü içerdiği 3 → 2 sürecidir. Genel olarak, bu tür süreçler, yeni büyük kendi kendine etkileşimleri olan DM teorilerinde ve kendi kendine etkileşime giren DM [29-31], Güçlü Etkileşen Büyük Parçacık (SIMP) paradigması [32-49] ve hatta ELastik olarak çeşitli bağlamlarda ortaya çıkar. DEkuplaj Kalıntısı (ELDER) senaryosu [50, 51].

Termal DM'nin ayrılması o dönemde meydana geldiğinden, evrenin erken tarihinin DM oluşumunda çok önemli bir rol oynadığını belirtmek önemlidir. Genel olarak DM çalışmaları, Büyük Patlama Nükleosentezi'nden (BBN) önce radyasyon enerjisi yoğunluğunun enerji bütçesine hakim olduğu varsayılan standart kozmolojik tabloyu dikkate alır. Ancak çok yüksek sıcaklıklardaki enerji içeriğine ilişkin doğrudan bir kanıt bulunmamaktadır. Bu nedenle değiştirilmiş kozmolojinin DM üretimi üzerindeki etkilerine bakmak hayati önem taşımaktadır. Son zamanlarda DM'nin, genellikle uzun ömürlü büyük bir parçacığın bozunması [48, 52-71] veya ilkel kara deliklerin Hawking buharlaşması [72-95] tarafından tetiklenen standart dışı genişleme dönemindeki evrimi, giderek artan bir ilgi görüyor.[2] Bu tür çalışmaların tümü, standart dışı kozmolojinin, gözlemlenen DM kalıntısını karşılamak için gereken termal olarak ortalama kesitin değerini değiştirdiği gerçeğine işaret etmektedir. Termal olarak ortalaması alınmış kesitteki böyle bir değişiklik aynı zamanda DM'nin birimlik kütle sınırını da değiştirebilir. Yakın tarihli bir makalede yazarlar, erken madde hakimiyetinin üniterlik sınırları üzerindeki etkisini araştırdılar [112].

Bu makale aşağıdaki gibi dekore edilmiştir. Bölüm 2 ve 3'te, Smatrix'in üniterliğinin izin verdiği maksimum termal ortalamalı kesitin ayrıntılı türetilmesini sunuyoruz. Standart dışı iki farklı kozmolojik resmi tartışıyoruz: Bölüm 4'te kinasyon benzeri ve geç zaman yeniden ısınması. Bölüm 5, radyasyonun hakim olduğu evren ve bahsedilen değiştirilmiş kozmolojiler için donma ve kesitlere ilişkin analitik ifadeleri göstermektedir. sonuçlarımızı gösterin. Son olarak Bölüm 6'da bulgularımızı özetliyoruz.

[1] Alternatif olarak, son durumda bir DM ve bir SM parçacığına (yarı yok oluşlar) [23-27] veya başlangıç durumunda bir DM ve karanlık sektörün başka bir parçacığına (ortak yok oluşlar) [28] sahip olunabilir. .

[2] Düşük yeniden ısıtma sıcaklığıyla veya erken madde ağırlıklı faz sırasında baryogenez üzerine çalışmalar için bkz. Refs. [52, 96–100] ve [101–104] sırasıyla. Ayrıca, erken madde çağını içeren senaryolarda ilkel kütleçekimsel dalgaların üretilmesi son zamanlarda özellikle ilgi görmüştür [105-111].