[论文解读] Cosmology and Dark Matter

V. A. Rubakov|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文综述了宇宙学中关于标准模型之外物理现象的证据，重点关注弱相互作用大质量粒子（WIMPs）、轴子、惰性中微子和模糊暗物质等暗物质候选者，以及TeV能标下的重子生成机制。文章认为，宇宙微波背景（CMB）各向异性和大尺度结构表明存在一个预热时期——很可能是暴胀——其性质可通过未来对原初引力波和CMB中统计各向异性的观测进行探测。

ABSTRACT

Cosmology and astroparticle physics give strongest possible evidence for the incompleteness of the Standard Model of particle physics. Leaving aside misterious dark energy, which may or may not be just the cosmological constant, two properties of the Universe cannot be explained by the Standard Model: dark matter and matter-antimatter asymmtery. Dark matter particles may well be discovered in foreseeable future; this issue is under intense experimental investigation. Theoretical hypotheses on the nature of the dark matter particles are numerous, so we concentrate on several well motivated candidates, such as WIMPs, axions and sterile neutrinos, and also give examples of less motivated and more elusive candidates such as fuzzy dark matter. This gives an idea of the spectrum of conceivable dark matter candidates, while certainly not exhausting it. We then consider the matter-antimatter asymmetry and discuss whether it may result from physics at 100~GeV -- TeV scale. Finally, we turn to the earliest epoch of the cosmological evolution. Although the latter topic does not appear immediately related to contemporary particle physics, it is of great interest due to its fundamental nature. We emphasize that the cosmological data, notably, on CMB anisotropies, unequivocally show that the well understood hot stage was not the earliest one. The best guess for the earlier stage is inflation, which is consistent with everything known to date; however, there are alternative scenarios. We discuss the ways to study the earliest epoch, with emphasis on future cosmological observations.

研究动机与目标

• 评估宇宙学中关于标准模型之外物理现象的理论与观测证据，特别是暗物质和重子不对称性方面。
• 评估WIMPs、轴子和惰性中微子等有良好理论动机的暗物质候选者的可行性，并探讨模糊暗物质等较不常规的选项。
• 研究物质-反物质不对称性是否可能源于电弱尺度物理，包括电弱重子生成和惰性中微子振荡。
• 分析宇宙学数据（尤其是CMB各向异性的）对预暴胀时期的存在及其原初扰动性质的启示。
• 识别未来可能的观测信号，如张量模式和统计各向异性，以区分暴胀与其它早期宇宙情景。

提出的方法

• 分析弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克（FLRW）度规和弗里德曼方程，以描述宇宙在辐射主导、物质主导和暗能量主导时期中的均匀与各向同性演化。
• 利用CMB各向异性和BAO（重子声学振荡）作为标准标尺，约束宇宙学参数并探测暗物质与暗能量。
• 应用热退耦丰度计算来估算WIMP的冻结截面，将其与直接探测和间接探测实验相联系。
• 研究早期宇宙中强CP问题与轴子的产生，包括轴子样粒子及其实验搜索策略。
• 评估惰性中微子作为温暗物质候选者的作用，通过其衰变和振荡信号进行分析。
• 评估通过暴胀机制生成原初扰动，重点分析绝热性、高斯性以及近似标度不变谱，强调张量模式（B模偏振）作为暴胀的决定性证据。

实验结果

研究问题

• RQ1 最可行的暗物质理论候选者是什么？它们如何与地面粒子物理实验相联系？
• RQ2 宇宙的物质-反物质不对称性能否由电弱尺度物理（如电弱重子生成或惰性中微子振荡）来解释？
• RQ3 哪些观测信号（如B模偏振或统计各向异性）可用来区分暴胀与其它预热时期情景？
• RQ4 在热大爆炸之前生成的宇宙涨落如何约束最早宇宙的本质？
• RQ5 未来宇宙学观测（如CMB偏振和引力波探测）在多大程度上可探测预暴胀时期的物理？

主要发现

• CMB各向异性和大尺度结构观测提供了明确证据，表明热大爆炸并非宇宙的最早阶段，暗示存在一个先前的非热时期。
• 张量-标量比 $ r $ 由普朗克和BICEP2/KEK数据约束，已排除若干简单暴胀模型，并成为探测原初引力波的关键探针。
• CMB中的B模偏振是原初张量模式（引力波）的独特信号，其探测将为暴胀提供决定性证据。
• 具有弱尺度截面的WIMPs能自然再现观测到的暗物质遗迹密度，使其成为直接和间接探测实验的首选候选者。
• 轴子作为强CP问题的解决方案，是可行的暗物质候选者，目前和未来的实验正在搜寻其产生与探测。
• CMB中的统计各向异性虽受严格约束，但可能暗示如矢量场驱动暴胀或共形模型等替代预暴胀动力学，为与标准暴胀提供可检验的区分。