[論文レビュー] Decoupling of Asymmetric Dark Matter During an Early Matter Dominated Era

Prolay Chanda, James Unwin|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 72被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、初期物質支配期に脱結合する非対称な暗黒物質（ADM）を調査し、このような脱結合が通常の放射支配モデルとは異なり、対称な暗黒物質残存密度をもたらすことを示している。主な結果は、再加熱によるエントロピー注入が非対称性を希釈させることであり、超重いADMが実現可能であるのは物質支配期に脱結合が起こる場合に限る。この場合、希釈に対する耐性が確保され、残存密度が安定化される。

ABSTRACT

In models of Asymmetric Dark Matter (ADM) the relic density is set by a particle asymmetry in an analogous manner to the baryons. Here we explore the scenario in which ADM decouples from the Standard Model thermal bath during an early period of matter domination. We first present a model independent analysis for a generic ADM candidate with s-wave annihilation cross section with fairly general assumptions regarding the origin of the early matter dominated period. We contrast our results to those from conventional ADM models which assume radiation domination during decoupling. Subsequently, we examine an explicit example of this scenario in the context of an elegant SO(10) implementation of ADM in which the matter dominated era is due to a long lived heavy right-handed neutrino. In the concluding remarks we discuss the prospects for superheavy ADM in this setting.

研究の動機と目的

• 初期物質支配が脱結合期における非対称暗黒物質（ADM）の残存密度に与える影響を理解すること。
• 再加熱によるエントロピー注入を考慮しても、ADMが観測された暗黒物質密度を適切に再現できるパラメータ領域を特定すること。
• 初期宇宙が物質支配である場合に、超重いADMが実現可能かどうかを検討すること。
• 物質支配宇宙論におけるs波散乱を伴うADMの脱結合について、モデルに依存しない解析を行うこと。
• 長寿命な右巻きニュートリノが物質支配期を生成し、ADMの生成を支援するSO(10) GUTにインspiredした明示的モデルを提示すること。

提案手法

• 物質支配期に脱結合するADMに対して、s波散乱を仮定したモデルに依存しないボルツマン方程式解析を実施する。
• 物質支配条件の下でハッブル定数を再計算し、放射支配と比較して脱結合ダイナミクスが変化することを示す。
• 物質支配から放射支配への遷移に伴うエントロピー注入をモデル化し、ADMの残存密度に対する希釈効果を評価する。
• 物質支配期における脱結合時の暗黒物質および反暗黒物質の数密度について、半解析的解を導出する。
• 長寿命な右巻きニュートリノ $N_1$ が物質支配期を生成するSO(10) GUTモデルを構築する。
• 数値計算を用いて、SO(10)モデルにおける最終的なADM残存密度を計算し、標準的なADMシナリオと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期物質支配は、放射支配と比較して非対称暗黒物質の脱結合ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ2 物質支配期における再加熱からのエントロピー注入が、ADMの最終的残存密度に与える影響は何か？
• RQ3 物質支配期に脱結合が起こる場合、放射支配期に比べて超重いADMが実現可能になるか？
• RQ4 SO(10)モデルにおいて、長寿命な右巻きニュートリノ $N_1$ は、ADMの残存生成を支える物質支配期を適切に生成するか？
• RQ5 $N_1$ が長寿命であり、崩壊前にエネルギー密度を支配するようにするためのヤコビ係数および質量に課される制約は何か？

主な発見

• 物質支配期に脱結合するADMは、放射支配の非対称ケースとは異なり、対称な暗黒物質密度 $Y_{\bar{\rho}} \simeq Y_{\rho}$ を示す。
• 宇宙が再び放射支配に移行する場合、エントロピー注入により最終的な残存密度が顕著に希釈されるが、物質支配期が長期間にわたる限り、この影響は緩和される。
• 初期非対称性 $\eta_\chi = 10^{-10}$ を同一とすると、物質支配シナリオでは対称な残存密度が得られ、標準ADMとは相性が悪くなる。ただし、エントロピー希釈を考慮すれば問題ない。
• SO(10)モデルでは、質量 $M_{N_1} \sim 10^{10}$ GeV およびヤコビ係数 $y_1 \sim 10^{-12}$ を持つ長寿命な右巻きニュートリノ $N_1$ が物質支配期を維持し、正しいADM残存密度を生成できる。
• 条件 $T_{\rm MD} > T_\Gamma$ は $r/(1-r) \lesssim 5 \times 10^{11} (y_1/10^{-12})^{-4/3} (M_{N_1}/10^{10})^{2/3}$ を満たす必要があり、これにより $N_1$ は物質支配期終了後に崩壊することが保証される。
• モデルに依存しない解析から、超重いADMは物質支配期に脱結合が起こる場合にのみ実現可能であり、そうでない場合にはエントロピー希釈により残存密度が抑制される。