[논문 리뷰] Gravitational Dark Matter and Primordial Black Holes

Nicolás Bernal|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 10.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 46인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초기 블랙홀(PBH) 증발과 보조적인 중력보 매개 과정을 통한 중력적 어둠료물질 생성을 조사하며, 어둠료물질 영역 내의 자기상호작용이 어둠료물질 잔류 밀도를 수십 배에서 수백 배 이상 증가시킬 수 있음을 보여준다. 또한, 특히 10^10–10^13 GeV 범위의 무거운 어둠료물질에 대해, 인플aton 산란과 같은 경쟁적인 중력적 생성 메커니즘이 PBH가 선호하는 매개변수 공간의 대부분을 배제함을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초기 블랙홀 증발을 통한 중력적 어둠료물질 잔류 밀도에 대한 어둠료물질 영역 내 자기상호작용의 영향을 평가하기 위해.
• 관측 가능한 전체 어둠료물질 밀도를 생성하기 위해 가시 영역과 어둠료물질 영역 간 유일한 상호작용으로서 중력의 역할을 평가하기 위해.
• 표준모형(SM) 및 인플aton 산란를 통해 s-채널 중력보 교환로 매개되는 순수 중력적 어둠료물질 생성 메커니즘 간의 비교 및 제약을 위해.
• 어둠료물질 영역 내 열화 및 수량 변화 과정이 최종 어둠료물질 잔류 밀도와 운동에너지 분포에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 다른 중력적 생성 채널을 고려할 때, 초기 블랙홀 기원 어둠료물질에 대한 타당한 매개변수 공간을 규명하기 위해.

제안 방법

• 특정 입자물리 모델에 의존하지 않고, 에너지 및 엔트로피 보존 원리를 바탕으로 한 일반적인 열역학적 추론을 사용하여 어둠료물질 영역 내 자기상호작용이 어둠료물질 밀도에 미치는 증폭 효과를 추정한다.
• 어둠료물질 영역 내 운동 및 화학적 평형을 고려하여, PBH 증발을 통한 어둠료물질 생성을 기술하기 위해 볼츠만 방정식 프레임워크를 적용한다.
• s-채널 중력보 교환로 매개되는 표준모형 입자 또는 인플aton의 2→2 산란를 통해 생성된 어둠료물질 입자의 수확량에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 초기 PBH 질량 함수와 증발 온도를 입력으로 사용하여, 열화가 일어난다고 가정할 때 PBH 증발에 의한 어둠료물질 잔류 밀도를 평가한다.
• 동일한 재가열 온도와 질량 척도를 사용하여, PBH 증발에 의한 어둠료물질 수확량을 표준모형 및 인플aton 산란 과정에 의한 예측값과 비교한다.
• 비틀림핵합성과 구조 형성에서의 관측 제약 조건을 적용하여, 여러 중력적 생성 메커니즘이 겹치는 매개변수 영역을 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠료물질 영역 내 자기상호작용은 초기 블랙홀 증발을 통해 생성된 어둠료물질의 잔류 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 어떻게 중력적 상호작용만으로도 초기 우주에서 관측된 전체 어둠료물질 밀도를 설명할 수 있는가?
• RQ3 표준모형 입자 및 인플aton으로부터의 중력보 매개 산란 과정은 초기 블랙홀 어둠료물질의 매개변수 공간에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 어둠료물질 영역 내 열화는 어둠료물질의 운동에너지와 분포에 어떻게 영향을 미쳐 구조 형성 제약 조건을 변화시키는가?
• RQ5 다른 중력적 어둠료물질 생성 메커니즘이 상호 배제되는 질량 및 온도 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 어둠료물질 영역 내 자기상호작용은 열화 및 수량 변화 과정으로 인해 초기 블랙홀 증발을 통해 생성된 어둠료물질의 잔류 밀도를 수십 배에서 수백 배 이상 증가시킬 수 있다.
• 어둠료물질 영역 내 열화는 어둠료물질의 평균 운동에너지를 감소시켜 구조 형성 제약 조건을 완화시키며, keV 범위의 더 가벼운 어둠료물질 후보를 허용한다.
• 표준모형 입자에 의한 중력보 매개 산란은 초기 블랙홀 어둠료물질의 매개변수 공간에 강력한 제약을 가하며, 어둠료물질 질량이 10^10 GeV에서 10^13 GeV 사이인 영역을 배제한다.
• s-채널 중력보 교환로 매개되는 인플aton 산란은 타당한 매개변수 공간을 추가로 제약하며, 특히 스칼라, 벡터 및 페르미온 어둠료물질의 10^10–10^13 GeV 범위에서 PBH 생성이 선호하는 영역을 크게 배제한다.
• PBH 증발, 표준모형 산란, 인플aton 산란 등의 다수의 중력적 생성 메커니즘 간의 상호작용은 강력하고 겹치는 제약을 초래하여 순수 중력적 어둠료물질 시나리오의 타당한 매개변수 공간을 크게 좁힌다.
• 분석 결과, 비틀림핵합성 이전에 증발하는 PBH는 다른 중력적 생성 채널을 고려할 경우, 10^10–10^13 GeV 질량 범위에서는 어둠료물질의 주요 기여원이 될 수 없다.