[论文解读] Gravitational Dark Matter and Primordial Black Holes

Nicolás Bernal|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 46被引用 7

一句话总结

本文研究了原初黑洞（PBH）蒸发及其它引力子介导过程中的引力暗物质产生机制，表明暗物质领域内的自相互作用可使暗物质遗迹丰度提升几个数量级。此外，研究进一步表明，竞争性的引力产生机制——尤其是标量场散射——会排除PBH所青睐的参数空间大范围区域，特别是在10^10–10^13 GeV范围内的重暗物质情形下。

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.

研究动机与目标

• 评估暗物质领域内自相互作用对原初黑洞蒸发产生的引力暗物质遗迹丰度的影响。
• 评估引力作为可见物质与暗物质领域之间唯一相互作用，在早期宇宙中产生全部观测到的暗物质密度的作用。
• 比较并约束竞争性的纯引力暗物质产生机制，包括通过s通道引力子交换的SM粒子和标量场散射。
• 确定暗物质领域内热化及数密度变化过程如何影响最终的暗物质遗迹密度和动能分布。
• 在考虑其他引力产生通道约束的前提下，识别原初黑洞起源暗物质的可行参数空间。

提出的方法

• 使用一般热力学论证——能量与熵守恒——估算暗物质领域内自相互作用对暗物质丰度的增强效应，且不依赖于特定粒子物理模型。
• 应用玻尔兹曼方程框架，对原初黑洞蒸发产生的暗物质进行建模，考虑暗物质领域内的动能与化学平衡。
• 推导出通过s通道引力子交换介导的SM粒子或标量场2→2散射过程产生的暗物质粒子产额的解析表达式。
• 在假设热化成立的前提下，利用初始原初黑洞质量函数和蒸发温度作为输入，估算原初黑洞蒸发产生的暗物质遗迹丰度。
• 将原初黑洞蒸发产生的暗物质产额与SM粒子和标量场散射过程的预测产额进行比较，使用相同的再热温度和质量标度。
• 应用来自大爆炸核合成和结构形成的观测约束，排除多个引力产生机制重叠的参数空间区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 暗物质领域内的自相互作用如何影响原初黑洞蒸发产生的暗物质遗迹丰度？
• RQ2 引力相互作用本身在多大程度上可解释早期宇宙中全部观测到的暗物质密度？
• RQ3 由SM粒子和标量场介导的引力子散射过程对原初黑洞暗物质的参数空间施加了何种约束？
• RQ4 暗物质领域内的热化如何改变暗物质的动能与分布，从而影响结构形成约束？
• RQ5 在何种质量和温度范围内，竞争性的引力暗物质产生机制会相互排除？

主要发现

• 暗物质领域内的自相互作用可通过热化和数密度变化过程，使原初黑洞蒸发产生的暗物质遗迹丰度提升几个数量级。
• 暗物质领域内的热化可降低暗物质的平均动能，从而放松结构形成约束，使keV量级的较轻暗物质候选者成为可能。
• SM粒子通过引力子介导的散射对原初黑洞暗物质的参数空间施加了强约束，排除了暗物质质量在10^10 GeV至10^13 GeV范围的区域。
• 通过s通道引力子交换的标量场散射进一步限制了可行参数空间，尤其在10^10–10^13 GeV范围内，排除了PBH产生所青睐的大量区域，对标量、矢量和费米子型暗物质尤为显著。
• 多种引力产生机制——原初黑洞蒸发、SM散射和标量场散射——之间的相互作用导致强而重叠的约束，显著缩小了纯引力暗物质情景的可行参数空间。
• 分析表明，当考虑其他引力产生通道时，原初黑洞在大爆炸核合成之前蒸发的暗物质无法成为10^10–10^13 GeV质量范围内暗物质的主导来源。