[論文レビュー] Gravitational Dark Matter and Primordial Black Holes

Nicolás Bernal|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、初期期ブラックホール（PBH）の蒸発および代替のグラビトン媒介過程を通じた重力的暗黒物質生成を調査し、ダークセクター内の自己相互作用が、暗黒物質の残存密度を数個のオーダー以上に増幅させることを示している。さらに、特に10^10–10^13 GeVの範囲にある重い暗黒物質に対して、インフレーション粒子の散乱を含む、競合する重力的生成メカニズムがPBHに由来するパラメータ空間の大部分を除外することを示している。

ABSTRACT

Let's be frank: we all love WIMP dark matter (DM). However, thermal equilibrium may not be reached between the visible and dark sectors. The only interaction guaranteed between them is gravity. Gravitational DM could be generated by the Hawking evaporation of primordial black holes. It is typically assumed that after production, DM abundance freezes and remains constant. However, thermalization and number-changing processes in the dark sector can have a strong impact, in particular enhancing the DM population by several orders of magnitude. Here we review the impact of self-interactions from general arguments such as the conservation of energy and entropy, independently from the underlying particle physics details of the dark sector. Additionally, we study the interplay with other purely gravitational DM production mechanisms, such as the scattering of standard model states or inflatons, mediated by the $s$-channel exchange of gravitons. We show that the latter mechanism sets strong bounds, excluding large regions of the parameter space favored by primordial black hole production.

研究の動機と目的

• 初期ブラックホールの蒸発による重力的暗黒物質の残存密度に、ダークセクター内の自己相互作用が与える影響を評価すること。
• 可視系とダーク系の間で重力のみが相互作用である場合、初期宇宙において観測された全暗黒物質密度を生成できるかを評価すること。
• 標準模型（SM）およびインフレーション粒子の散乱を含む、sチャネルのグラビトン交換による重力的生成メカニズムの比較と制約を実施すること。
• ダークセクターにおける熱平衡および数密度変化過程が、最終的な暗黒物質の残存密度および運動エネルギー分布に与える影響を特定すること。
• PBH由来の暗黒物質の有効なパラメータ空間を、代替の重力的生成チャネルからの制約を踏まえて同定すること。

提案手法

• 特定の素粒子モデルに依存しない、エネルギー保存およびエントロピー保存に基づく一般的な熱力学的議論を用いて、ダークセクター内の自己相互作用が引き起こす暗黒物質豊度の増幅を推定する。
• ボルツマン方程式の枠組みを用いて、ダークセクター内の運動的および化学的平衡を考慮したPBH蒸発に起因する暗黒物質生成をモデル化する。
• sチャネルのグラビトン交換を介した標準模型粒子やインフレーション粒子の2対2散乱によって生成される暗黒物質粒子の生成量について、解析的表現を導出する。
• 初期PBH質量関数および蒸発温度を入力として、熱平衡を仮定した場合のPBH蒸発に起因する暗黒物質の残存豊度を評価する。
• 同じ再熱温度および質量スケールを用いて、PBH蒸発による予測された暗黒物質生成量と、SMおよびインフレーション粒子散乱による生成量を比較する。
• ビッグバン核合成および構造形成からの観測的制約を適用し、複数の重力的生成メカニズムが重複するパラメータ空間の領域を除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークセクター内の自己相互作用は、初期ブラックホールの蒸発によって生成される暗黒物質の残存豊度にどのように影響するか？
• RQ2 重力的相互作用のみで、初期宇宙において観測された全暗黒物質密度を説明できるか？
• RQ3 標準模型粒子およびインフレーション粒子からのグラビトン媒介散乱過程が、初期ブラックホール暗黒物質のパラメータ空間にどのような制約を課えるか？
• RQ4 ダークセクターにおける熱平衡は、暗黒物質の運動エネルギーおよび分布にどのように影響を与え、構造形成の制約に寄与するか？
• RQ5 どの質量および温度範囲で、競合する重力的暗黒物質生成メカニズムが互いに排除し合うか？

主な発見

• ダークセクター内の自己相互作用は、熱平衡および数密度変化過程により、初期ブラックホールの蒸発に起因する暗黒物質の残存豊度を数個のオーダー以上に増幅させる。
• ダークセクター内の熱平衡は、暗黒物質の平均運動エネルギーを低下させ、構造形成の制約を緩和し、keV領域のより軽い暗黒物質候補を許容する。
• 標準模型粒子のグラビトン媒介散乱は、初期ブラックホール暗黒物質のパラメータ空間に強く制約を課し、10^10 GeVから10^13 GeVの間の暗黒物質質量領域を除外する。
• sチャネルのグラビトン交換によるインフレーション粒子散乱は、さらに有効なパラメータ空間を制限し、特にスカラー、ベクトル、フェルミオン的暗黒物質が10^10–10^13 GeVの範囲にある場合、PBH生成に有利な領域の大部分を除外する。
• PBH蒸発、SM散乱、インフレーション粒子散乱の複数の重力的生成メカニズムの相互作用は、強い重複する制約を生じさせ、完全に重力的であると仮定した暗黒物質生成シナリオの有効なパラメータ空間を顕著に狭める。
• 本分析は、ビッグバン核合成よりも前に蒸発するPBHが、他の重力的生成チャネルを考慮すると、10^10–10^13 GeVの質量範囲では主な暗黒物質源にはなり得ないことを示している。