Tính đơn nhất bị ràng buộc đối với Vật chất tối trong các kịch bản hâm nóng ở nhiệt độ thấp: Tóm tắt và giới thiệu

Bảng liên kết

• Tóm tắt và giới thiệu
• Ma trận S: Tính đơn nhất và hệ quả của nó
• Sự hủy diệt vật chất tối và sự ràng buộc thống nhất
• Hâm nóng ở nhiệt độ thấp
• Đóng băng bằng cách hâm nóng ở nhiệt độ thấp
• Tóm tắt và kết luận
• Lời cảm ơn và tài liệu tham khảo

trừu tượng

Giới hạn trên lý thuyết độc lập với mô hình về khối lượng vật chất tối nhiệt (DM) có thể được suy ra từ mặt cắt DM không đàn hồi tối đa bao gồm toàn bộ lượng DM được quan sát. Chúng tôi triển khai tính đơn nhất sóng một phần của ma trận tán xạ để rút ra mặt cắt trung bình nhiệt tối đa cho các quá trình thay đổi số chung r → 2 (với r ≥ 2), có thể liên quan đến các hạt mô hình tiêu chuẩn hoặc chỉ xảy ra trong khu vực tối. Giới hạn trên thông thường của khối lượng DM đối với sự hủy diệt sóng s là khoảng 130 TeV (1 GeV) với r = 2 (3), chỉ áp dụng trong trường hợp đóng băng xảy ra trong kịch bản vũ trụ tiêu chuẩn. Chúng tôi xem xét tác động của hai quá trình tiến hóa vũ trụ không tiêu chuẩn, được đặc trưng bởi sự hâm nóng ở nhiệt độ thấp: i) một kịch bản giống như chuyển động và ii) một kịch bản ban đầu bị chi phối bởi vật chất. Trong trường hợp đầu tiên, việc đóng băng sớm củng cố tính thống nhất bị ràng buộc ở một số TeV đối với WIMP; trong khi ở trường hợp thứ hai, WIMP DM có thể nặng tới ∼ 1010 GeV do độ pha loãng entropy lớn.

1. Giới thiệu

Việc xem xét một mô hình sản xuất DM cụ thể trong giai đoạn đầu của vũ trụ có thể hạn chế hơn nữa phạm vi khối lượng đối với một ứng cử viên DM khả thi. Ví dụ, sự hủy cặp thay đổi số lượng của các hạt DM thành SM xác định mật độ khối lượng hiện tại của nó, nơi nó duy trì trạng thái cân bằng hóa học và động học với súp nhiệt trong vũ trụ sơ khai. Điều thú vị là, yêu cầu về tính đơn nhất của ma trận S đặt ra giới hạn trên độc lập với mô hình về khối lượng DM cho kịch bản này [12, 13]. Ý nghĩa của sự thống nhất mang lại mặt cắt không co giãn tối đa, giúp cố định mật độ số lượng tối thiểu của DM bị đóng băng. Sử dụng mật độ số này, người ta có thể thiết lập khối lượng DM tối đa được phép bằng cách đáp ứng mật độ di tích quan sát được của nó. Trong lý thuyết về DM với các lực tầm xa, các trạng thái liên kết của DM có thể hình thành và do đó làm giảm tính đơn nhất bị ràng buộc bằng cách triệt tiêu tốc độ hủy diệt không đàn hồi [14–16]. Ngoài ra, các vùng tối với sự bất đối xứng giữa hạt-phản hạt buộc phải nắm bắt thế năng hóa học cân bằng khác 0 đối với DM, hạn chế hơn nữa các giới hạn đơn vị do nhu cầu tăng mật độ số DM hiệu quả tại thời điểm đóng băng [15, 17] . Hơn nữa, các tìm kiếm gián tiếp khác nhau đối với DM có thể đặt giới hạn thấp hơn về khối lượng DM đối với một số trường hợp cụ thể. Giới hạn dưới mạnh không phụ thuộc vào mô hình đối với DM nhiệt đang phân hủy thành trạng thái khả kiến thông qua quá trình sóng s là khoảng 20 GeV [18]. Ngoài ra, một giới hạn thấp hơn hạn chế hơn gần đây đã được tìm thấy. Người ta đã chứng minh rằng giới hạn dưới là 200 GeV, khi xem xét HESS và các dữ liệu quan sát được cập nhật khác [19].

Đặc biệt, tất cả các kịch bản DM được đề cập cho đến nay đều chú ý đến quá trình thay đổi số 2 → 2 trong đó một cặp DM hủy thành một cặp hạt SM, tức là mô hình Hạt lớn tương tác yếu (WIMP) [20–22] .[1] Hơn nữa, không nhất thiết các quá trình thay đổi số lượng phải có sự tham gia của các hạt SM nên chúng cũng có thể xảy ra trong khu vực tối. Việc hiện thực hóa tối giản kịch bản này là quá trình 3 → 2, trong đó loại phản ứng thay đổi số lượng này liên quan đến một loài DM duy nhất. Nói chung, các quá trình như vậy phát sinh trong các lý thuyết DM với các tương tác tự tương tác khá lớn mới và trong một số bối cảnh như DM tự tương tác [29–31], mô hình Hạt lớn tương tác mạnh (SIMP) [32–49], hoặc thậm chí là ELastly Kịch bản tách rời di tích (ELDER) [50, 51].

Điều cần thiết là phải đề cập rằng lịch sử ban đầu của vũ trụ đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành DM, vì sự tách rời của DM nhiệt xảy ra vào thời điểm đó. Nói chung, các nghiên cứu của DM xem xét bức tranh vũ trụ tiêu chuẩn trong đó mật độ năng lượng bức xạ được cho là chiếm ưu thế trong quỹ năng lượng trước Quá trình tổng hợp hạt nhân Big Bang (BBN). Tuy nhiên, không có bằng chứng trực tiếp về hàm lượng năng lượng ở nhiệt độ rất cao. Vì vậy, điều quan trọng là phải xem xét ảnh hưởng của vũ trụ học biến đổi đến việc sản xuất DM. Trong thời gian gần đây, sự tiến hóa của DM trong thời kỳ giãn nở không chuẩn thường được gây ra bởi sự phân rã của một hạt lớn tồn tại lâu dài [48, 52–71] hoặc do sự bốc hơi của Hawking của các lỗ đen nguyên thủy [72–95] nhận được sự chú ý ngày càng tăng.[2] Tất cả các nghiên cứu như vậy đều hướng đến thực tế là vũ trụ học phi tiêu chuẩn làm thay đổi giá trị của mặt cắt trung bình nhiệt cần thiết để đáp ứng di tích quan sát được của DM. Sự sửa đổi như vậy trong mặt cắt ngang trung bình về mặt nhiệt cũng có thể thay đổi giới hạn khối lượng đơn vị của DM. Trong một bài báo gần đây, các tác giả đã nghiên cứu tác động của sự thống trị sớm của vật chất đối với các giới hạn đơn nhất [112].

Bài viết này được trang trí như sau. Trong Phần 2 và 3, chúng tôi trình bày cách suy ra chi tiết của mặt cắt ngang có nhiệt độ trung bình tối đa được tính đơn nhất của Smatrix cho phép. Chúng ta thảo luận về hai bức tranh vũ trụ học phi tiêu chuẩn khác nhau: sự gia nhiệt theo kiểu động hóa và thời gian muộn trong Phần 4. Phần 5 trình bày các biểu thức phân tích về sự đóng băng và mặt cắt đối với vũ trụ bị bức xạ thống trị và các vũ trụ học biến đổi đã đề cập, đồng thời chúng tôi cũng thảo luận về hai bức tranh vũ trụ học phi tiêu chuẩn khác nhau. chứng minh kết quả của chúng tôi. Cuối cùng, chúng tôi tóm tắt những phát hiện của chúng tôi trong Phần 6.

[1] Ngoài ra, người ta cũng có thể có ở trạng thái cuối cùng một hạt DM và một hạt SM (bán hủy diệt) [23–27], hoặc ở trạng thái ban đầu một DM và một hạt khác của khu vực tối (đồng hủy diệt) [28] .

[2] Để biết các nghiên cứu về quá trình tạo bary với nhiệt độ gia nhiệt thấp hoặc trong giai đoạn đầu vật chất chiếm ưu thế, hãy xem Tài liệu tham khảo. [52, 96–100] và [101–104], tương ứng. Hơn nữa, việc tạo ra sóng hấp dẫn nguyên thủy trong các kịch bản có kỷ nguyên vật chất sơ khai gần đây đã nhận được sự chú ý đặc biệt [105–111].