[논문 리뷰] Hidden sectors and a multi-temperature universe

Amin Aboubrahim, Wan-Zhe Feng외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 11.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 62인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 시력 및 은폐된 섹터(다크 물질 및 다크 힘을 포함)가 별개의 열수조에서 독립적으로 진화하는 다온도 우주에 대한 수학적 체계를 개발한다. 은폐된 섹터의 다크 포톤이 다크 물질 내에서 속도에 의존하는 자기상호작용을 매개할 수 있음을 보여주며, 은하에서 클러스터 스케일에 이르기까지 관측 데이터와 부합하고, 두 개의 은폐된 섹터를 통해 다크 포톤이 다크 물질의 대부분을 차지하면서 천문학적 및 우주론적 제약 조건인 잔류 밀도와 수명 제약을 모두 충족시킬 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

A variety of supergravity and string based models contain hidden sectors which can play a role in particle physics phenomena and in cosmology. In this note we discuss the possibility that the visible sector and the hidden sectors in general live in different heat baths. Further, it is entirely possible that dark matter resides partially or wholly in hidden sectors in the form of dark Dirac fermions, dark neutralinos or dark photons. A proper analysis of dark matter and of dark forces in this case requires that one deals with a multi-temperature universe. We discuss the basic formalism which includes the multi-temperature nature of visible and hidden sectors in the analysis of phenomena observable in the visible sectors. Specifically we discuss the application of the formalism for explaining the velocity dependence of dark matter cross sections as one extrapolates from galaxy scales to scales of galaxy clusters. Here the dark photon exchange among dark fermions can produce the desired velocity dependent cross sections consistent with existing galactic cross section data indicating the existence of a new fifth (dark) force. We also discuss the possibility that the dark photon may constitute a significant portion of dark matter. We demonstrate a realization of this possibility in a universe with two hidden sectors and with the visible sector and the hidden sectors in different heat baths which allows a satisfaction of the constraints that the dark photon have a lifetime larger than the age of the universe and that its relic density be consistent with Planck data. Future directions for further work are discussed.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주에서 시력 및 은폐된 섹터가 완전히 열역학적으로 평형을 이룰 수 없는 초중력 및 끈 이론 모델에서 은폐된 섹터의 천문학적 영향을 다루기 위해.
• 서로 다른 온도를 가진 시력 및 은폐된 섹터의 결합된 열역학적 진화를 위한 수학적 체계를 개발하기 위해.
• 은하 및 클러스터 스케일에서 관측된 속도에 의존하는 다크 물질 단면적을 다크 포톤의 교환을 통해 설명하기 위해.
• 천문학적 제약 조건 하에서 다크 포톤이 다크 물질의 주요 성분이 될 수 있는지 탐색하기 위해.
• 은폐된 섹터가 시력 섹터보다 더 차가운 상태를 유지하면서도, 추가적인 상대론적 자유도의 수가 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 초과하지 않도록 하기 위해.

제안 방법

• 다양한 은폐된 섹터를 고려하여 시력 및 은폐된 섹터의 온도 상호작용을 기술하는 연립 진화 방정식을 유도하며, 온도 비율 ξ = T₁/T 및 ζ = T₂/T₁를 도입한다.
• 결합된 섹터 간의 에너지 및 엔트로피 보존 원리를 적용하여, 시력 및 은폐된 섹터의 기여를 포함한 프리드만 방정식을 수정한다.
• 은폐된 U(1) 게이지 군과 하이퍼차지 장 사이의 운동역학적 혼합 및 슈타이켈베르그 질량 혼합을 적용하여 상호작용을 매개한다.
• 다크 페르미온(다크 물질)과 다크 포톤(힘 매개입자)을 포함하는 모델을 구성하며, 매개입자가 다크 페르미온보다 훨씬 가벼운 것으로 가정한다.
• 초기 우주에서 BBN 시기 및 현재 시점까지의 열역학적 역사 추적을 위해 온도 비율의 수치적 진화를 수행한다.
• 다크 포톤의 잔류 밀도 및 수명 제약 조건을 평가하여, 두 개의 은폐된 섹터가 다크 포톤이 플랑크 측정치와 천문학적 안정성 모두를 충족시킬 수 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시력 섹터와 다른 온도를 가진 은폐된 섹터의 존재가 초기 우주의 열역학적 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다크 포톤이 은하 스케일에서부터 클러스터 스케일의 운동학적 데이터와 부합하는 속도에 의존하는 다크 물질 자기상호작용을 매개할 수 있는가?
• RQ3 다크 포톤이 잔류 밀도 측정치인 플랑크 데이터와 일치하면서도 안정적일 수 있는 조건은 무엇인가?
• RQ4 은폐된 섹터의 수가 빅뱅 핵합성 기간 동안 열역학적 분리 및 엔트로피 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 두 개의 은폐된 섹터 모델이 높은 다크 포톤 잔류 밀도와 우주의 연령을 초월하는 장수명을 동시에 만족시킬 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 다크 페르미온 간의 다크 포톤 매개 상호작용이 은하에서 클러스터 스케일에 이르기까지 천문학적 관측 데이터와 일치하는 속도에 의존하는 단면적을 생성함을 보여준다.
• 단일 은폐된 섹터는 다크 포톤의 잔류 밀도 및 수명 제약 조건을 동시에 충족시킬 수 없으며, 두 개의 은폐된 섹터가 필요하다.
• 온도 비율 T₂/T₁는 제2의 은폐된 섹터에서 독립적으로 진화하며, 항상 1 이하를 유지하여 BBN 기간 동안 우주의 과도한 닫힘을 방지한다.
• 이 체계는 다수의 섹터에 대한 정확한 열역학적 진화를 가능하게 하며, 이전의 별도의 엔트로피 보존 가정을 수정한다.
• 제2의 은폐된 섹터가 BBN 시점에 시력 섹터보다 더 차가운 상태를 유지할 경우, 다크 포톤은 다크 물질의 상당한 비율을 차지할 수 있다.
• 모델은 SuperCDMS 및 e-ASTROGAM의 제약 조건과 일치하며, 특히 1GeV 이하에서 keV 수준의 질량 범위에서 특히 잘 맞는다.