[论文解读] Constraining scalar dark matter with Big Bang nucleosynthesis and atomic spectroscopy

Y. V. Stadnik, V. V. Flambaum|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 28被引用 9

一句话总结

本文通过其在大爆炸核合成（BBN）期间对基本常数的影响，约束了标量暗物质。利用原始 4He 含量，设定了对光子、轻夸克及大质量矢量玻色子耦合的限制。推导出对标量场二次和线性耦合的严格约束，排除了此前未受约束的大量参数空间区域，并进一步利用镝原子光谱学数据约束了光子耦合。

ABSTRACT

Scalar dark matter can interact with Standard Model (SM) particles, altering the fundamental constants of Nature in the process. Changes in the fundamental constants during and prior to Big Bang nucleosynthesis (BBN) produce changes in the primordial abundances of the light elements. By comparing the measured and calculated (within the SM) primordial abundance of $^{4}$He, which is predominantly determined by the ratio of the neutron-proton mass difference to freeze-out temperature at the time of weak interaction freeze-out prior to BBN, we are able to derive stringent constraints on the mass of a scalar dark matter particle $ϕ$ together with its interactions with the photon, light quarks and massive vector bosons via quadratic couplings in $ϕ$, as well as its interactions with massive vector bosons via linear couplings in $ϕ$. We also derive a stringent constraint on the quadratic interaction of $ϕ$ with the photon from recent atomic dysprosium spectroscopy measurements.

研究动机与目标

• 通过标量暗物质（DM）在大爆炸核合成（BBN）期间对基本常数的影响，对其施加约束。
• 研究中子-质子质量差与弱相互作用冻结温度的变化对原始 4He 含量的影响程度。
• 通过二次和线性相互作用，推导标量 DM 对光子、轻夸克及大质量矢量玻色子耦合的新限制。
• 结合近期原子镝光谱学数据，约束标量 DM 对精细结构常数的二次耦合。
• 通过宇宙学与实验室测量，排除此前未受约束的标量 DM 参数空间区域。

提出的方法

• 将标量暗物质建模为一种轻量、振荡的场 φ，其通过 φ 中的二次或线性相互作用与标准模型（SM）粒子耦合。
• 使用有效拉格朗日量项 L_int^f、L_int^γ 和 L_int^V 分别描述与费米子、光子及大质量矢量玻色子的相互作用。
• 推导出基本常数的诱导变化：m_f → m_f(1 ± φ/Λ_f)，α → α(1 ± φ/Λ_γ)，M_V → M_V(1 ± φ/Λ_V)。
• 将 Q_np/T_F（中子-质子质量差与弱相互作用冻结温度之比）作为对 BBN 期间基本常数变化敏感的关键可观测量。
• 将 BBN 计算与测量的原始 4He 含量相结合，以约束标量场的耦合尺度 Λ′_X 与 φ 的振幅。
• 利用 Budker 等人（2015）的镝原子光谱学数据，约束 φ 对电磁场的二次耦合（即 α 的变化）。

实验结果

研究问题

• RQ1 标量暗物质与标准模型粒子的相互作用如何在大爆炸核合成期间改变基本常数？
• RQ2 中子-质子质量差与弱相互作用冻结温度的变化在多大程度上影响原始 4He 含量？
• RQ3 利用 BBN 观测结果，可以对标量 DM 对光子、轻夸克及大质量矢量玻色子的耦合尺度施加何种约束？
• RQ4 近期对精细结构常数的原子光谱学测量如何约束标量 DM 对光子的耦合？
• RQ5 结合 BBN 与原子光谱学数据，可以排除标量 DM 参数空间的哪些区域？

主要发现

• 本文基于 BBN 与 4He 含量，推导出标量暗物质对光子的二次耦合约束：(1/m_φ²)(m_φ/(3×10⁻¹⁶ eV))³ᐟ²[0.08κ′_γ/(Λ′_γ)² + ...] ≈ (0.5 ± 1.3)×10⁻²⁰ eV⁻⁴。
• BBN 约束排除了标量 DM 参数空间的广大区域，尤其针对对光子、轻夸克及大质量矢量玻色子的耦合。
• 镝光谱学进一步约束了 φ 对光子的二次耦合，所得限制如图 2 所示（位于红线之下）。
• 对于轻夸克的耦合，当 Λ′_γ ≫ Λ′_q 且 Λ′_V ≫ Λ′_q 时约束最强，排除区域如图 3 所示（位于蓝线之下）。
• 对于大质量矢量玻色子（W 与 Z）的耦合，当 Λ′_γ ≫ Λ′_V 且 Λ′_q ≫ Λ′_V 时约束最强，排除区域如图 4 所示（位于蓝线之下）。
• 该分析假设标量 DM 占据现今暗物质能量密度，并利用 <φ²>_{weak} ≫ <φ²>_0 的关系以增强对早期宇宙变化的敏感性。