[论文解读] Big-Bang Nucleosynthesis and neutralino dark matter in modified gravity

Jin U Kang, Grigoris Panotopoulos|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文研究了在 $f(R) \sim R^n$ 改进引力理论下的大爆炸核合成（BBN）与中性子暗物质，使用幂次 $n$ 作为自由参数来约束 $^4$He 的丰度。研究发现，BBN 对 $n$ 的约束可进一步确定冷暗物质一致性所需的暗物质湮灭截面，从而将引力修正与暗物质现象学联系起来。

ABSTRACT

In the present work the primordial Big-Bang Nucleosynthesis (BBN) and weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter are discussed in a certain class of modified gravitational theories, namely $f(R) \sim R^n$ gravity. The new gravitational model is characterized by a single parameter $n$. First we determine the conditions under which the theoretical predictions for the $^{4}$He abundance are in agreement with the observations. More precisely, during BBN the physics is known and all the parameters are known. The only free parameter to be constrained is the power $n$ related to the new gravitational model. After that, for cold dark matter we use the value of $n$ determined from the BBN considerations and determine how the mass of the dark matter particle is related to the annihilation cross section in order for the cold dark matter constraint to be satisfied.

研究动机与目标

• 研究 $f(R) \sim R^n$ 引力对原初核合成的影响，特别是对 $^4$He 丰度预测的影响。
• 利用 BBN 期间 $^4$He 丰度的观测数据，约束引力参数 $n$。
• 在 BBN 约束的 $n$ 值基础上，确定满足冷暗物质遗迹密度约束所需的暗物质湮灭截面。
• 建立修正引力与弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质现象学之间的联系。

提出的方法

• 将引力作用描述为 $f(R) = R^n$，引入 $n$ 作为单一自由参数以描述修正引力。
• 将修正引力框架应用于早期宇宙，在 BBN 时期求解相关的宇宙学方程。
• 使用已知的 BBN 物理与标准模型参数，仅通过调节 $n$ 来匹配观测到的 $^4$He 丰度。
• 对于确定的 $n$，计算满足冷暗物质遗迹密度约束所需的 WIMP 湮灭截面。
• 在 $n$-依赖引力的约束下，建立暗物质粒子质量与湮灭截面之间的关系。
• 利用 $^4$He 丰度与暗物质遗迹密度的一致性，约束 $n$ 的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $f(R) \sim R^n$ 引力中，哪些 $n$ 值与大爆炸核合成期间观测到的 $^4$He 丰度一致？
• RQ2 修正引力参数 $n$ 如何影响早期宇宙中 $^4$He 产量的预测？
• RQ3 在 $n$ 由 BBN 约束的前提下，为满足冷暗物质遗迹密度，所需的暗物质湮灭截面是多少？
• RQ4 在此修正引力框架下，中性子质量与湮灭截面之间存在何种关系？
• RQ5 $f(R) \sim R^n$ 引力中的 $n$ 参数能否同时满足 BBN 与冷暗物质约束？

主要发现

• 通过将理论预测的 $^4$He 丰度与观测数据匹配，$n$ 的值被约束，从而固定了引力修正参数。
• 从 BBN 得到的 $n$ 值被用作输入，以确定满足遗迹密度一致性的所需暗物质湮灭截面。
• 本文建立了 $f(R) \sim R^n$ 引力中 $n$-参数与 WIMP 湮灭截面之间的定量联系。
• 所需的暗物质湮灭截面依赖于 $n$ 值，表明修正引力会影响暗物质现象学。
• 该模型表明，若适当调节截面，$n$-依赖引力可同时满足 BBN 与冷暗物质约束。
• 分析表明，$f(R) \sim R^n$ 引力为约束原初核合成与暗物质遗迹密度提供了一个统一框架。