[论文解读] Asymmetric Inert Scalar Dark Matter

Mikaël Dhen, Thomas Hambye|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出，在原初宇宙中，通过惰性标量双生模型中的λ5标量相互作用，B−L不对称性可被部分转换为暗物质（DM）不对称性，若暗物质质量处于数TeV量级，则可导致今日主导的暗物质丰度。该机制依赖于低于暗物质阈值的不对称性热化以及暗物质粒子-反粒子振荡，因此在无需微调的情况下即具可行性。

ABSTRACT

In the quite minimal inert scalar doublet dark matter framework, we analyze what would be the effect of a B−L asymmetry that could have been produced in the Universe thermal bath at high temperature. We show that, unless the “λ5” scalar interaction is tiny, this asymmetry is automatically reprocessed in part into a DM asymmetry that can easily dominate the DM relic density today. This scenario requires the inert DM mass scale to lie in the few-TeV range. Two types of relic density suppressions render this scenario viable: thermalization, from the same “λ5” interaction, of the asymmetries at temperature below the dark matter particle threshold, and DM particle-antiparticle oscillations.

研究动机与目标

• 研究原初B−L不对称性对惰性标量双生模型中暗物质丰度的影响。
• 确定此类不对称性是否可被重新处理为占主导地位的暗物质不对称性。
• 识别使最终暗物质丰度与观测一致的条件。
• 分析λ5相互作用与暗物质振荡在抑制或增强丰度中的作用。

提出的方法

• 在高温下以包含B−L不对称性的热浴建模早期宇宙。
• 分析通过λ5标量相互作用使B−L不对称性演化为暗物质数密度的机制，该相互作用介导B−L与DM数密度之间的跃迁。
• 评估在低于暗物质阈值时不对称性的热化过程，此时λ5相互作用仍保持活跃。
• 将暗物质粒子-反粒子振荡作为对称暗物质产生过程的抑制机制纳入考虑。
• 使用动力学方程追踪热离子体中不对称性与丰度的演化。
• 应用观测到的暗物质丰度约束以确定所需的暗物质质量标度。

实验结果

研究问题

• RQ1 原初B−L不对称性是否可在惰性标量双生模型中导致主导的非对称暗物质组分？
• RQ2 λ5标量相互作用在将B−L不对称性重新处理为DM不对称性中起何种作用？
• RQ3 在低于暗物质阈值时的不对称性热化与暗物质振荡如何影响最终的丰度？
• RQ4 为实现主导的非对称组分，惰性标量DM的质量范围应为何值？
• RQ5 在观测到的暗物质丰度下，该情景是否可在无需微调的情况下成立？

主要发现

• 只要λ5相互作用不极小，B−L不对称性即可通过该相互作用高效地重新处理为暗物质不对称性。
• 若暗物质质量处于数TeV量级，由此产生的暗物质丰度可主导对称贡献。
• 在低于暗物质阈值时的不对称性热化可抑制对称暗物质的产生，从而增强非对称组分。
• 暗物质粒子-反粒子振荡进一步抑制对称暗物质，强化非对称组分的主导地位。
• 当热化与振荡两种抑制机制同时存在时，该情景在无需微调的情况下依然可行。
• 该模型预测了一条自然路径，可实现主导的非对称暗物质组分，且微调程度极低。