[论文解读] Decoupling of Asymmetric Dark Matter During an Early Matter Dominated Era

Prolay Chanda, James Unwin|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 72被引用 5

一句话总结

本文研究了在早期物质主导时期退耦的非对称暗物质（ADM），表明此类退耦会导致对称的暗物质遗迹丰度，而非辐射主导模型中常见的非对称丰度。关键结果是，再加热过程中的熵注入可稀释不对称性，因此只有在物质主导期间发生退耦时，超重ADM才具有可行性，这能稳定遗迹密度免受稀释影响。

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.

研究动机与目标

• 理解早期物质主导如何影响暗物质冻结过程中的遗迹密度。
• 识别在再加热导致熵注入的条件下，ADM仍能成功再现观测到的暗物质丰度的参数区域。
• 检验在物质主导早期宇宙中，超重ADM的可行性。
• 对物质主导宇宙学中具有s波湮灭的ADM退耦进行模型无关分析。
• 提出一个基于SO(10)大统一理论的显式模型，其中长寿命的右手中微子诱导物质主导并支持ADM产生。

提出的方法

• 对具有s波湮灭的ADM进行模型无关的玻尔兹曼方程分析，假设退耦发生在物质主导时期。
• 在物质主导条件下重新计算哈勃参数，与辐射主导情况相比，改变了冻结动力学。
• 对从物质主导向辐射主导过渡过程中的熵注入进行建模，以评估其对ADM遗迹丰度的稀释效应。
• 推导出在物质主导时期，暗物质与反暗物质数密度在退耦时的半解析解。
• 构建一个显式SO(10)大统一理论模型，其中长寿命的右手中微子$N_1$产生物质主导时期。
• 通过数值计算，比较标准ADM情景，计算SO(10)模型中的最终ADM遗迹密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与辐射主导相比，早期物质主导如何改变非对称暗物质的冻结动力学？
• RQ2 在物质主导时期，再加热引起的熵注入对ADM最终遗迹丰度有何影响？
• RQ3 如果退耦发生在物质主导而非辐射主导时期，超重ADM是否仍具有可行性？
• RQ4 在SO(10)模型中，长寿命的右手中微子$N_1$是否能成功产生物质主导时期并支持ADM遗迹产生？
• RQ5 为确保$N_1$保持长寿命并在衰变前主导能量密度，其汤川耦合与质量受到何种约束？

主要发现

• 在物质主导期间发生退耦的ADM会产生对称的暗物质丰度，即$Y_{\bar{\rho}} \simeq Y_{\rho}$，这与辐射主导情况下的非对称情形不同。
• 如果宇宙在物质主导后过渡到辐射主导，最终的遗迹密度会因熵注入而显著稀释，除非物质主导时期足够长。
• 对于相同的初始不对称性$\eta_\chi = 10^{-10}$，物质主导情景导致对称的遗迹丰度，因此除非考虑熵稀释，否则与标准ADM不兼容。
• 在SO(10)模型中，质量$M_{N_1} \sim 10^{10}$ GeV、汤川耦合$y_1 \sim 10^{-12}$的长寿命右手中微子$N_1$可维持物质主导时期，并产生正确的ADM遗迹密度。
• 条件$T_{\rm MD} > T_\Gamma$要求$r/(1-r) \lesssim 5 \times 10^{11} (y_1/10^{-12})^{-4/3} (M_{N_1}/10^{10})^{2/3}$，以确保$N_1$在物质主导结束后才衰变。
• 模型无关分析表明，只有当退耦发生在物质主导时期时，超重ADM才具有可行性，因为否则熵稀释会抑制遗迹密度。