[论文解读] ELKO as dark matter candidate

Bakul Agarwal, A. Nayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用 1

一句话总结

本文研究了ELKO费米子作为冷暗物质候选者的可能性，考察了其与光子和希格斯玻色子的耦合，并发现宇宙学、天体物理学和直接探测的约束排除了其在未与宇宙等离子体热平衡的情况下对暗物质有显著贡献的可能性。唯一可行的情景是非热生成，并且自耦合与质量之间存在特定关系，以匹配星系核心的观测结果。

ABSTRACT

We study the implications of the ELKO fermions as a cold dark matter candidate. Such fermions arise in theories that are not symmetric under the full Lorentz group. Although they do not carry electric charge, ELKOs can still couple to photons through a nonstandard interaction. They also couple to the Higgs but do not couple to other standard model particles. We impose limits on their coupling strength and the ELKO mass assuming that these particles give dominant contribution to the cosmological cold dark matter. We also determine limits imposed by the direct dark matter search experiments on the ELKO-photon and the ELKO-Higgs coupling. Furthermore we determine the limit imposed by the gamma ray bursts time delay observations on the ELKO-Higgs coupling. We find that astrophysical and cosmological considerations rule out the possibility that ELKO may contribute significantly as a cold dark matter candidate. The only allowed scenario in which it can contribute significantly as a dark matter candidate is that it was never in equilibrium with the cosmic plasma. We also obtain a relationship between the ELKO self-coupling and its mass by demanding it to be consistent with observations of dense cores in the galactic centers.

研究动机与目标

• 评估ELKO费米子在早期宇宙中是否可作为可行的冷暗物质候选者。
• 利用直接暗物质探测和伽马射线暴时间延迟的观测数据，约束ELKO-光子和ELKO-希格斯耦合强度。
• 确定ELKOs对观测到的暗物质密度有显著贡献的条件。
• 推导出与星系核心密集区域观测一致的ELKO自耦合-质量关系。

提出的方法

• 通过洛伦兹对称性破缺理论中的非标准相互作用，分析ELKO与希格斯和光子的耦合。
• 应用直接暗物质探测实验对ELKO-光子和ELKO-希格斯耦合强度施加的约束。
• 利用伽马射线暴时间延迟观测，通过限制光子传播效应来约束ELKO-希格斯耦合。
• 评估宇宙学和天体物理学对ELKO遗迹丰度的约束，以评估其热平衡的可行性。
• 通过要求与星系中心密集核心的观测一致，推导出自耦合-质量关系。
• 评估在热生成和非热生成情景下ELKO的遗迹密度，以确定其作为暗物质的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如果ELKO费米子曾与宇宙等离子体处于热平衡状态，它们能否构成冷暗物质的显著部分？
• RQ2 直接探测实验推导出的ELKO-光子和ELKO-希格斯耦合强度的上限是什么？
• RQ3 伽马射线暴时间延迟观测如何约束ELKO-希格斯耦合？
• RQ4 在何种条件下ELKOs可在不违反宇宙学或天体物理学观测的前提下显著贡献于暗物质密度？
• RQ5 为重现星系核心密集区域的观测，ELKO自耦合与质量之间需要何种关系？

主要发现

• 如果ELKO曾与宇宙等离子体处于热平衡状态，则其无法对冷暗物质有显著贡献，这是由于强烈的宇宙学和天体物理学约束。
• 直接探测实验对ELKO-光子和ELKO-希格斯耦合强度施加了严格的上限。
• 伽马射线暴时间延迟观测进一步约束了ELKO-希格斯耦合，排除了大数值的可能性。
• ELKO作为主导暗物质组分的唯一可行情景是其从未与宇宙等离子体达到热平衡。
• 为与星系中心密集核心的观测一致，ELKO自耦合与质量之间需存在特定关系。