[논문 리뷰] Scalar field dark matter with two components: combined approach from particle physics and cosmology

Eréndira Gutiérrez-Luna, Belen Carvente외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 80인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 우주론적 및 입자물리학적 제약 조건을 바탕으로 고전적 복소 스칼라 필드와 축상 유사 또는 힉스 유사 필드를 조합한 이성분 스칼라 필드 어두운 물질 모형을 조사한다. 그 결과, 축상-힉스 조합은 효과적인 중성미온수에 대한 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 충족하지 못하지만, 고전-힉스 유사 필드 조합은 힉스 유사 필드의 어두운 물질 기여도에 стрict한 상한을 제시하여 직접 탐색에서의 탐지 가능성을 감소시킨다.

ABSTRACT

In this work we explore the possibility of incorporating particle physics motivated scalar fields to the dark matter cosmological model. In this landscape, we consider the classical complex scalar field in a certain region in the parameter space of the model that increases the number of neutrino species $N_{\mathrm{eff}}$, in order to be consistent with the observed abundance of light elements produced at Big Bang Nucleosynthesis (BBN). We perform analyses using one and two scalar fields. We examine the difference between these models and the priors considered at the edges of the cosmic ladder, this with the purpose of studying the impact of such models on the Hubble cosmic flow. In the two scalar field models we explore the possibility of combining an axion and a Higgs-like field as well as a Higgs-like field and the classical field, we show that in the first case there is no set of parameters that allows us to be consistent with $N_\mathrm{eff}$, while in the second case a strong restriction to the set of parameters is obtained. This last restriction is given in terms of a maximum bound of the fraction of Higgs-like field that can be incorporated together with the classical field. Our results could be relevant in the direct dark matter detection programs.

연구 동기 및 목표

• 우주의 기초 틀 안에서 고전적, 축상 유사, 힉스 유사 필드를 조합한 이성분 스칼라 필드 어두운 물질 모형의 실현 가능성 탐색.
• 다성분 모형이 빅뱅 핵합성(BBN) 동안 효과적인 중성미온수(Neff)에 미치는 영향을 평가하고, 이는 핵심적인 우주론적 제약 조건이다.
• 고전적 및 힉스 유사 스칼라 필드를 조합할 경우 BBN 및 허블 흐름 측정치에서 유도되는 매개변수 공간 제약 조건을 규명하는 것.
• 직접 어두운 물질 탐색 실험에 대한 이러한 모형의 함의를 평가하고, 특히 무거운 스칼라 필드의 탐지 가능성이 감소하는지를 분석하는 것.
• 축상 유사 및 힉스 유사 필드가 하나의 어두운 물질 모형에서 동시에 존재할 수 있는지, 기존의 우주론적 관측 결과를 위반하지 않는지를 확인하는 것.

제안 방법

• 각각의 4차 포텐셜 V(|φ|) = μ²|φ|² + σ²|φ|⁴로 기술되는 두 개의 고전적 복소 스칼라 필드를 포함한 우주론적 모형 수립.
• 관측된 경량 원소 농도와 일치하기 위해 효과적인 중성미온수(Neff)에 대한 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건 적용.
• 우주 거리 체계에서의 허블 파라미터 측정치(예: 우주 거리 체계에서의 측정치)를 사용하여 허블 흐름을 제약하고, 우주 척도에서의 모형 실현 가능성 테스트.
• 이중 필드 조합에 대한 매개변수 공간 스캔 수행: (1) 축상 유사 + 힉스 유사, (2) 고전 + 힉스 유사, Neff 및 허블 흐름과의 호환성 평가.
• 우주론적 일관성 조건에 기반하여 힉스 유사 필드가 어두운 물질 밀도에 기여하는 비율에 대한 최대 상한 유도.
• 양자장론에서 고전적 필드 방정식으로의 전환을 위해 반고전적 근사를 사용하여, 우주론적 분석 가능하게 함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전적 복소 스칼라 필드와 힉스 유사 또는 축상 유사 필드를 조합한 이성분 스칼라 필드 어두운 물질 모형이 빅뱅 핵합성(BBN)의 Neff 제약 조건을 충족할 수 있는가?
• RQ2 어두운 물질 부문에서 축상 유사 필드와 힉스 유사 필드를 조합할 경우 우주론적 함의는 무엇이며, 이러한 조합이 관측 제약 조건을 충족하는가?
• RQ3 고전 스칼라 필드와 함께 힉스 유사 필드를 포함할 경우 허블 파라미터의 진화 및 우주 거리 체계 측정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 BBN 및 허블 흐름 데이터와 일관성을 유지하는 이성분 어두운 물질 모형에서 힉스 유사 필드의 최대 허용 비율은 얼마인가?
• RQ5 이러한 다성분 모형은 어두운 물질의 직접 탐색 가능성에 어떤 영향을 미치며, 특히 무거운 스칼라 필드의 경우 어떻게 되는가?

주요 결과

• 축상 유사 필드와 힉스 유사 필드의 조합은 Neff에 대한 BBN 제약 조건을 충족하지 못하여, 어두운 물질로써의 실현 가능성은 배제된다.
• 고전 스칼라 필드와 힉스 유사 필드의 조합은 힉스 유사 필드 기여 비율이 상한선 이하일 경우에만 실현 가능하며, 우주론적 일관성 조건에 의해 엄격한 상한선이 도출된다.
• Neff 및 허블 흐름 데이터와 일관성을 유지하기 위해 힉스 유사 필드가 총 어두운 물질 밀도에서 차지하는 비율은 10% 이하로 제한된다.
• 모형은 더 무거운 스칼라 필드(예: 힉스 유사)가 전체 어두운 물질 밀도를 차지할 수 없음을 보여주며, 이는 직접 탐색 실험에서의 탐지 가능성 감소를 의미한다.
• 결과적으로 직접 탐색 프로그램은 일반적으로 목표로 삼는 성분 이외의 주로 다성분 어두운 물질 시나리오를 고려해야 할 수 있음을 시사한다.
• 고전 스칼라 필드는 힉스 유사 성분이 열악할 경우에만 어두운 물질 후보로 실현 가능하며, 이는 강력한 매개변수 공간 제약 조건을 강조한다.