[논문 리뷰] Decoupling of Asymmetric Dark Matter During an Early Matter Dominated Era

Prolay Chanda, James Unwin|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 72인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초기 물질 지배 시대 동안 탈착하는 비대칭 암흑물질(ADM)을 조사하며, 이러한 탈착이 일반적인 복사 지배 모델에서 볼 수 있는 비대칭적인 것이 아니라 대칭적인 암흑물질 잔여 밀도를 초래한다는 것을 보여준다. 핵심 결과는 재가열 과정에서의 엔트로피 주입이 비대칭성을 희석시켜 초거대 ADM이 유일하게 물질 지배 시기에 탈착할 경우에만 가능해진다는 것이다. 이는 잔여 밀도가 희석으로부터 안정화되기 때문이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 물질 지배가 동결 탈착 기간 동안 비대칭 암흑물질(ADM)의 잔여 밀도에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 재가열으로 인한 엔트로피 주입을 고려할 때도 관측된 암흑물질 밀도를 성공적으로 재현할 수 있는 매개변수 영역을 규명하는 것.
• 물질 지배 초기 우주에서 초거대 ADM의 타당성을 검토하는 것.
• 물질 지배 우주론에서 s-파동 결합을 가진 ADM 탈착에 대한 모델 독립적 분석을 제공하는 것.
• 장수명인 오른쪽 히터로 인해 물질 지배 시기를 유도하고 ADM 생성을 지원하는 명시적 SO(10) GUT 유사 모델을 제시하는 것.

제안 방법

• s-파동 결합을 가진 ADM에 대해 모델 독립적인 볼츠만 방정식 분석을 수행하며, 물질 지배 시기에 탈착하는 것을 가정한다.
• 물질 지배 조건 하에서 허블 상수를 재계산하여 복사 지배 시기와 비교할 때 동결 탈착 역학이 달라지는지 분석한다.
• 복사 지배 시기로의 전이 과정에서의 엔트로피 주입을 모델링하여 ADM 잔여 밀도에 미치는 희석 효과를 평가한다.
• 물질 지배 시기에 탈착하는 동안 암흑물질 및 반-암흑물질 수 밀도에 대한 반정적 해를 유도한다.
• 장수명 오른쪽 히터 $N_1$가 물질 지배 시기를 생성하는 명시적 SO(10) GUT 모델을 구축한다.
• 수치 계산을 통해 SO(10) 모델에서의 최종 ADM 잔여 밀도를 계산하고, 표준 ADM 시나리오와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 물질 지배는 복사 지배 시기와 비교해 비대칭 암흑물질의 동결 탈착 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 물질 지배 시기에 재가열으로 인한 엔트로피 주입은 최종 ADM 잔여 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 만약 탈착가 물질 지배 시기에 일어나면 초거대 ADM이 타당해질 수 있는가?
• RQ4 SO(10) 모델에서 장수명 오른쪽 히터 $N_1$는 암흑물질 잔여 밀도 생성을 지원하는 물질 지배 시기를 성공적으로 생성하는가?
• RQ5 에너지 밀도를 지배하고 붕괴하기 전에 $N_1$가 장수명을 유지하기 위해 요구되는 양자수 상수와 질량에 대한 제약 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 물질 지배 시기에 탈착하는 ADM는 복사 지배 시기의 비대칭 케이스와는 달리 대칭적인 암흑물질 밀도를 초래하며, $Y_{\bar{\rho}} \simeq Y_{\rho}$가 된다.
• 우주가 복사 지배로 전환되면 엔트로피 주입으로 인해 최종 잔여 밀도가 크게 희석되며, 물질 지배 시기가 장수명이 아닐 경우 특히 그렇다.
• 같은 初기 비대칭성 $\eta_\chi = 10^{-10}$ 조건에서 물질 지배 시나리오는 대칭적인 잔여 밀도를 초래하여, 엔트로피 희석을 고려하지 않으면 표준 ADM와 호환되지 않는다.
• SO(10) 모델에서 질량 $M_{N_1} \sim 10^{10}$ GeV이고 양자수 상수 $y_1 \sim 10^{-12}$인 장수명 오른쪽 히터 $N_1$는 물질 지배 시기를 유지하고 정확한 ADM 잔여 밀도를 생성할 수 있다.
• 조건 $T_{\rm MD} > T_\Gamma$ 는 $r/(1-r) \lesssim 5 \times 10^{11} (y_1/10^{-12})^{-4/3} (M_{N_1}/10^{10})^{2/3}$ 를 요구하며, 이는 $N_1$ 가 물질 지배가 끝난 후에 붕괴하도록 보장한다.
• 모델 독립적 분석은 초거대 ADM가 유일하게 물질 지배 시기에 탈착할 경우에만 타당해지며, 否면 엔트로피 희석이 잔여 밀도를 억제하기 때문이다.