[論文レビュー] Scalar Dark Matter Production from Preheating and Structure Formation Constraints

Marcos A. G. García, Mathias Pierre+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、インフレーション後のプリヒーティング期におけるスカラー暗黒物質の生成を、重力的、弱い結合、強い結合の3つの状態で検討する。格子シミュレーションとハートリー近似を用いて、再熱温度が34 GeVを超えると重力的生成が宇宙を過剰に閉じるのを特定した。一方、Lyman-α制約は、重力的生成では ≳3×10⁻⁴ eV、直接結合では ≳20 eV の下限を示し、非冷たい暗黒物質のシナリオを制約する上で自由行程の重要性を強調している。

ABSTRACT

We investigate the out-of-equilibrium production of scalar dark matter (DM) from the inflaton condensate during inflation and reheating. We assume that this scalar couples only to the inflaton via a direct quartic coupling and is minimally coupled to gravity. We consider all possible production regimes: purely gravitational, weak direct coupling (perturbative), and strong direct coupling (non-perturbative). For each regime, we use different approaches to determine the dark matter phase space distribution and the corresponding relic abundance. For the purely gravitational regime, scalar dark matter quanta are copiously excited during inflation resulting in an infrared (IR) dominated distribution function and a relic abundance which overcloses the universe for a reheating temperature $T_ ext{reh}>34 ~ ext{GeV}$. A non-vanishing direct coupling induces an effective DM mass and suppresses the large IR modes in favor of ultraviolet (UV) modes and a minimal scalar abundance is generated when the interference between the direct and gravitational couplings is maximal. For large direct couplings, backreaction on the inflaton condensate is accounted for by using the Hartree approximation and lattice simulation techniques. Since scalar DM candidates can behave as non-cold dark matter, we estimate the impact of such species on the matter power spectrum and derive the corresponding constraints from the Lyman-$\alpha$ measurements. We find that they correspond to a lower bound on the DM mass of $\gtrsim 3 imes 10^{-4} \, m{eV}$ for purely gravitational production, and $\gtrsim 20 \, m {eV}$ for direct coupling production. We discuss the implications of these results.

研究の動機と目的

• インフレーション後のプリヒーティング期におけるスカラー暗黒物質生成メカニズムを調査すること。
• 重力的結合、弱い結合、強い結合の3つの結合状態におけるスカラー暗黒物質の残存密度を特定すること。
• Lyman-αフォレスト測定を用いてスカラー暗黒物質に対する観測的制約を導出すること。
• 非冷たい暗黒物質の挙動が物質パワー スペクトルおよび構造形成に与える影響を評価すること。
• 宇宙論的観測から得られるスカラー暗黒物質質量の下限を確立すること。

提案手法

• インフレーション場のみと重力に最小的にカップルされたスカラー暗黒物質場を持つ最小限のモデルを使用する。
• 弱い結合に対しては摂動的量子場理論、ハートリー近似、強い結合に対しては格子場理論を適用する。
• インフレーション場の凝縮状態の崩壊と非摂動的粒子生成を通じて、位相空間分布と残存密度を計算する。
• 線形摂動理論を用いて、スカラー暗黒物質が物質パワー スペクトルに与える影響を評価する。
• Lyman-αフォレストデータを用いて自由行程長を制約し、それによって暗黒物質質量を制限する。
• CMB観測と整合性を確認するため、相対的粒子種の有効数（N_eff）を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プリヒーティング期における重力的および直接結合によるスカラー暗黒物質の残存密度は何か？
• RQ2 重力的、弱い結合、強い結合の3つの状態における暗黒物質の位相空間分布はどのように異なるか？
• RQ3 Lyman-αフォレスト測定から得られるスカラー暗黒物質に対する宇宙論的制約は何か？
• RQ4 非冷たい暗黒物質の挙動は物質パワー スペクトルおよび構造形成にどのように影響を与えるか？
• RQ5 観測データから導かれるスカラー暗黒物質質量の下限は何か？

主な発見

• スカラー暗黒物質の重力的生成は、赤外領域に支配される分布を生じ、再熱温度 Treh > 34 GeV では宇宙を過剰に閉じる。
• 非ゼロの直接結合は赤外モードを抑制し、重力的結合と直接結合の干渉が最大となる際に最小の残存密度を生成する。
• 強い直接結合の状況では、インフレーション場の凝縮状態への逆作用をハートリー近似と格子シミュレーションを用いて取り入れた。
• Lyman-α制約により、純粋な重力的生成ではスカラー暗黒物質質量に ≳3×10⁻⁴ eV の下限が得られる。
• 直接結合生成の場合は、自由行程が強化され小スケール構造が抑制されるため、下限は ≳20 eV にまで上昇する。
• 結果はCMB観測における相対的粒子種の有効数（N_eff）の制約と整合的であり、モデルの妥当性を支持する。