[论文解读] Generation of Asymmetric Dark Matter and Gravitational Waves

Iason Baldes|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Computational Physics and Python Applications被引用 1

一句话总结

本文提出一个统一模型，其中隐藏生成规范层中的强一阶相变同时通过CP破坏相互作用产生重子数不对称性和暗物质不对称性。相变过程中的气泡碰撞产生随机引力波背景，其信号可能被未来空间望远镜如LISA和BBO探测到，而特定参数选择下直接探测约束依然成立。

ABSTRACT

We consider the possibility of a gravitational wave signal in an asymmetric dark matter model. In this model a generative sector produces both the baryon asymmetry and a dark matter asymmetry in a strong first-order phase transtion. Bubble collisions during the phase transition lead to sound waves in the plasma which are a source of a stochastic gravitational wave background. We consider the prospects of future graviational wave observatories such as LISA and BBO detecting such a signal. Constraints on the model from Halo ellipticity, $ΔN_{ m eff}$ and direct detection experiments are also discussed.

研究动机与目标

• 探索一种机制，其中重子不对称性和暗物质不对称性均源自单一生成规范层中的强一阶相变。
• 研究相变期间气泡碰撞产生的随机引力波背景。
• 评估该引力波信号被LISA和BBO等未来空间望远镜探测的可能性。
• 评估星系晕椭率、有效中微子数（Neff）以及直接探测实验对模型可行性的约束。
• 确定模型与宇宙学及天体物理学观测一致的参数空间。

提出的方法

• 模型构建涉及一个隐藏的SU(2)G规范层，其中标量场φ经历强一阶相变，由具有树级势垒或热修正的势能驱动。
• CP破坏源于生成层中的手征费米子和Yukawa耦合，使粒子-反粒子不对称性生成机制类似于电弱重子生成。
• 通过对惰性费米子和暗狄拉克费米子（ζ, ξ）的耦合，将不对称性传递至可见物质与暗物质层，其中暗物质质量关系满足mζ + mξ ≈ 1.5 GeV。
• 利用模拟结果的标准参数化方法计算引力波谱，其依赖于成核温度Tn、能量释放α、相变速率β/H以及壁面速度vw。
• 壁面速度设定为vw = 1/√3，以在Bodeker-Moore准则下实现非逃逸壁的信号强度最大化。
• 通过混合参数ϵ、暗精细结构常数αD以及暗光子质量MD，评估星系晕椭率、Neff和直接探测的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 隐藏规范层中的强一阶相变能否同时生成重子不对称性和暗物质不对称性？
• RQ2 由气泡碰撞产生的随机引力波背景的振幅和频率谱为何？
• RQ3 该引力波信号是否可被LISA和BBO等未来空间望远镜探测到？
• RQ4 星系晕椭率、Neff和直接探测的约束如何塑造该模型的可行参数空间？
• RQ5 暗光子质量在规避宇宙学与天体物理学约束中起到何种作用？

主要发现

• 该模型通过强一阶相变期间的气泡碰撞产生随机引力波背景，其谱峰频率位于LISA和BBO可探测范围内。
• 引力波信号对壁面速度极为敏感，当vw = 1/√3时，信号强度达到最大，为最乐观情形。
• 在考虑暗物质与可见物质层自由度后，模型在∼2σ水平下与Planck的Neff = 3.15 ± 0.23保持边缘一致。
• 通过Stueckelberg或Higgs机制实现的暗光子质量可规避星系晕椭率约束，并使模型在直接探测实验中保持可行。
• 当MD = 1.5 GeV时，直接探测的自旋无关截面为σSI_D ∼ 10−40 cm²，而CRESST-II的限制为σSI_D < 2.7×10−39 cm²，为未来探测保留了空间。
• 识别出一个参数空间切片，其中BBO可探测到引力波信号，尤其在α与β/H取中等值时。