[論文レビュー] Primordial Black Hole Evaporation and Dark Matter Production: II. Interplay with the Freeze-In/Out Mechanism

Andrew Cheek, Lucien Heurtier+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、初期宇宙における原始的ブラックホール（PBH）の蒸発が、冷凍出および冷凍インメカニズムを通じたダークマター（DM）生成に与える影響を調査し、PBHがエントロピー源として機能し、熱的DMを希釈させ、リリック密度を変化させることを示している。PBH支配の初期宇宙におけるDMリリック密度の解析的公式を導出し、PBHがDMを抑制するか熱平衡化させるパラメータ領域を特定した。公開済みのコードを用いた数値ボルツマン解法により、その妥当性を検証した。

ABSTRACT

We study how the evaporation of primordial black holes (PBHs) can affect the production of dark matter (DM) particles through thermal processes. We consider fermionic DM interacting with Standard Model particles via a spin-1 mediator in the context of a Freeze-Out or Freeze-In mechanism. We show that when PBHs evaporate after dominating the Universe's energy density, PBHs act as a source of DM and continuously inject entropy into the visible sector that can affect the thermal production in three qualitatively different ways. We compute the annihilation cross-sections which account for the interactions between and within the PBH produced and thermally produced DM populations, and establish a set of Boltzmann equations which we solve to obtain the correct relic abundance in those different regimes and confront the results with a set of different cosmological constraints. We provide analytic formulae to calculate the relic abundance for the Freeze-Out and Freeze-In mechanism in a PBH dominated early Universe. We identify regions of the parameter space where the PBHs dilute the relic density and thermalization occurs. Furthermore, we have made our code that numerically solves the Boltzmann equations publicly available.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における原始的ブラックホール（PBH）の蒸発が、冷凍出および冷凍インメカニズムを通じたダークマター（DM）生成に与える影響を理解すること。
• PBH蒸発によって生成されるDMと熱的に生成されるDMの間の相互作用、特にエントロピー注入と熱平衡化に焦点を当てたモデル化。
• 冷凍出および冷凍インの両状況下で、PBH支配の宇宙論におけるDMリリック密度の解析的表現を導出すること。
• PBHがDMリリック密度を希釈するか、PBHによって生成されたDMと熱的に生成されたDMの間で熱平衡化を引き起こすパラメータ空間領域を同定すること。
• これらの条件下でDMおよびPBH集団の連立ボルツマン方程式を解くための公開可能な数値コードを提供すること。

提案手法

• PBHによって生成されるDM集団と熱的に生成されるDM集団の進化を記述する連立ボルツマン方程式を定式化し、相互作用およびエントロピー注入を含む。
• 異なる温度を持つ集団間のDM相互作用の熱的に平均化された断面積を導出し、標準的なGondolo-Gelmini形式を非平衡系に一般化する。
• 幾何的光学近似を避けるために、PBH蒸発の完全なグレイボディ因子を用い、放出されるDM粒子の位相空間分布を計算する。
• さまざまな初期PBH質量および結合パラメータ領域におけるボルツマン方程式の数値的解法を行い、宇宙論的制約と比較する。
• PBH支配の初期宇宙における冷凍出および冷凍インメカニズム下でのDMリリック密度の解析的公式を導出する。
• 数値解と解析的近似の比較により結果の妥当性を検証し、運動量平均断面積を用いて熱平衡条件を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PBH蒸発は、冷凍出または冷凍インメカニズムを通じて生成されるDMのリリック密度にどのように影響するか？
• RQ2 PBHが熱的DMのリリック密度を希釈するか、PBHによって生成されたDMと熱的に生成されたDMの間で熱平衡化を引き起こすパラメータ領域はどのようなものか？
• RQ3 PBHのスピンおよび完全なグレイボディ因子が、PBHによって生成されるDMの位相空間分布および最終的豊度に与える影響は何か？
• RQ4 PBHによって生成されたDMと熱的に生成されたDMの間の相互作用が、最終的なリリック密度に与える影響は何か？また、運動量平均断面積を信頼できる範囲で使用できるのはいつか？
• RQ5 PBH支配の初期宇宙における冷凍出および冷凍インメカニズム下でのDMリリック豊度の解析的表現は何か？

主な発見

• PBHが宇宙のエネルギー密度を支配する場合、PBH蒸発は熱的に生成されるDMのリリック密度を顕著に希釈させ、標準的な熱的予測よりも最終的豊度を低下させる。
• 相互作用率がハッブル膨張率を上回る場合、PBHによって生成されたDMと熱的に生成されたDMの間で熱平衡化が生じる。これは、異なる温度を持つ集団に対する一般化された熱的に平均化された断面積を用いて定量化される。
• 冷凍出および冷凍インメカニズムの両状況下で、PBH支配の宇宙論におけるDMリリック豊度の解析的公式が導出され、パラメータ空間の高速走査が可能になる。
• PBHがリリック密度を抑制するか、熱平衡化を引き起こすパラメータ空間領域が特定され、PBH質量およびDM結合強度が最終的なDM豊度を決定づける重要な要因であることが示された。
• ボルツマン方程式の数値的解法により、解析的近似の妥当性が確認され、PBH蒸発と熱的DM生成の間の非自明な相互作用が明らかになった。
• ボルツマン方程式を解くための公開済みコードにより、再現可能性が確保され、初期宇宙宇宙論におけるPBH-DM相互作用のさらなる探求が可能になった。