[论文解读] Exponentially Light Dark Matter from Coannihilation

Raffaele Tito D’Agnolo, Cristina Mondino+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

本文提出，通过利用一种‘惰性共湮灭’机制，非 degenerate（非简并）暗物质（DM）态之间的共湮灭可自然地产生轻至keV量级的暗物质。在此机制中，暗物质本身不参与主导湮灭过程。关键结果是，遗迹密度不再依赖于暗物质耦合常数，从而在严格限制宇宙微波背景（CMB）的条件下，为未来实验探测开辟了广阔参数空间。

ABSTRACT

Dark matter may be a thermal relic whose abundance is set by mutual annihilations among multiple species. Traditionally, this coannihilation scenario has been applied to weak scale dark matter that is highly degenerate with other states. We show that coannihilation among states with split masses points to dark matter that is exponentially lighter than the weak scale, down to the keV scale. We highlight the regime where dark matter does not participate in the annihilations that dilute its number density. In this "sterile coannihilation" limit, the dark matter relic density is independent of its couplings, implying a broad parameter space of thermal relic targets for future experiments. Light dark matter from coannihilation evades stringent bounds from the cosmic microwave background, but will be tested by future direct detection, fixed target, and long-lived particle experiments.

研究动机与目标

• 探索非简并共湮灭作为生成弱能标以下轻量暗物质的机制。
• 识别‘惰性共湮灭’极限，即暗物质不参与主导湮灭过程的情形。
• 证明在遗迹密度中，暗物质耦合常数的影响被消除，从而扩大实验可行参数空间。
• 表明通过共湮灭产生的轻量暗物质可因在再组合之前解耦而规避宇宙微波背景（CMB）约束。
• 识别直接探测、固定靶实验及长寿命粒子实验中的可观测信号。

提出的方法

• 构建包含最轻稳定态（即暗物质）及更重共湮灭态的多态暗物质 sector，按质量排序。
• 应用玻尔兹曼方程计算遗迹密度，对所有重态之间的2→2湮灭过程求和。
• 识别‘惰性共湮灭’区域，其中主导湮灭过程仅涉及更重态（不包括暗物质），从而抑制暗物质相空间的指数抑制。
• 使用有效湮灭率公式（式4）表明，为克服抑制，重态湮灭截面必须远大于弱能标量值。
• 分析三种模型实现：(1) 与标准模型解耦的暗物质 sector 及暗辐射，(2) 混合暗希格斯的希格斯门控，(3) 通过暗光子门控实现的直接SM湮灭。
• 计算大爆炸核合成（BBN）和CMB对有效相对论自由度数（N_eff）的约束，并推导出暗物质质量的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 非简并态之间的共湮灭能否产生显著轻于弱能标的暗物质？
• RQ2 ‘惰性共湮灭’极限（即暗物质不参与主导湮灭过程）在其中起何作用？
• RQ3 在惰性共湮灭区域，遗迹密度如何依赖于暗物质耦合常数？
• RQ4 从CMB和BBN等宇宙学与天体物理学约束来看，共湮灭产生的轻量暗物质受到何种限制？
• RQ5 此类轻量暗物质在直接探测、固定靶实验及长寿命粒子实验中可能产生何种可观测信号？

主要发现

• 非简并态之间的共湮灭可产生轻至keV量级的暗物质，从而规避标准WIMP模型的约束。
• 在惰性共湮灭极限下，遗迹密度仅依赖于暗物质质量，而与耦合常数无关，从而产生宽广的热态探测参数空间。
• 通过要求重态湮灭截面远大于弱能标值，可克服暗物质相空间的指数抑制，暗示暗物质 sector 的质量尺度远轻于弱能标。
• CMB约束被规避，因为重态在再组合前衰变为暗物质，从而终止了决定遗迹密度的湮灭过程。
• 在希格斯门控模型中，由于BBN和CMB对N_eff的约束，暗物质质量的下限被提高三个数量级（至约100 keV）。
• 未来实验，包括直接探测、固定靶束流实验（如E137）以及长寿命粒子搜索，对探测更重的暗物质态具有强大前景。