[论文解读] Hidden Hot Dark Matter as Cold Dark Matter

Kris Sigurdson|ArXiv.org|Dec 14, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出，当处于相对论性状态时即发生退耦且从未与标准模型热平衡的隐sector暗物质，由于其与可见sector的温度比被抑制，可作为冷暗物质。研究表明，此类隐sector热暗物质可解释从~3 keV至~10 TeV质量范围内的全部暗物质，通过其非平衡热历史规避了标准热暗物质的约束，并可能在物质功率谱中留下信号或通过额外弱衰变产生可观测特征。

ABSTRACT

We show that hidden hot dark matter, hidden-sector dark matter with interactions that decouple when it is relativistic, is a viable dark matter candidate provided it has never been in thermal equilibrium with the particles of the standard model. This hidden hot dark matter may reheat to a lower temperature and number density than the visible Universe and thus account, simply with its thermal abundance, for all the dark matter in the Universe while evading the typical constraints on hot dark matter arising from structure formation. We find masses ranging from ~3 keV to ~10 TeV. While never in equilibrium with the standard model, this class of models may have unique observational signatures in the matter power spectrum or via extra-weak interactions with standard model particles.

研究动机与目标

• 探讨在自身sector中为热态但退耦时处于相对论性状态的隐sector暗物质是否可作为可行的冷暗物质候选者。
• 解决标准热暗物质约束与相对论性暗物质遗迹粒子可行性之间的矛盾。
• 表明此类暗物质可通过热丰度本身实现观测到的暗物质密度，而无需非热产生或强相互作用。
• 识别在物质功率谱或与标准模型粒子的额外弱相互作用中可能存在的观测信号。

提出的方法

• 本文建模一个在相对论性状态下退耦的隐sector费米子χ，其与SM等离子体的温度比（ξf = Tχf / Tf）决定其遗迹密度。
• 通过相对论性物种的热数密度推导遗迹密度，利用熵自由度gₛf和gₛ0将质量mχ与ξf关联。
• 该模型假设今日暗物质为非相对论性，并使用关系式ρχ0 = mχ nχf (a₀/a_f)⁻³计算满足Ωdh² ≈ 0.11所需的质量。
• 分析隐sector与SM之间通过有效四费米子顶点的额外弱相互作用，约束耦合强度以避免SM-HS过程导致χ的过度产生。
• 评估χ粒子衰变至SM态的衰变速率，估计在合理耦合强度下其寿命长于宇宙年龄。
• 构建最小模型，采用U(1)规范对称性并引入一个规范玻色子或四费米子相互作用，类比弱相互作用，以实现该场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个在自身参考系中为热态但在相对论性状态下退耦的隐sector暗物质粒子，是否仍可作为冷暗物质？
• RQ2 此类隐sector热暗物质的质量范围为何，才能在不违反结构形成约束的前提下重现观测到的Ωdh² ≈ 0.11？
• RQ3 隐sector与可见sector之间的额外弱相互作用如何影响遗迹丰度和潜在的观测信号？
• RQ4 隐sector与标准模型相互作用的耦合强度受到何种约束，以避免暗物质的过度产生？
• RQ5 此类模型是否可在物质功率谱中留下可观测的印记，或通过长寿命暗物质衰变产生可观测效应？

主要发现

• 隐sector热暗物质可解释宇宙中质量范围约为3 keV至10 TeV的全部暗物质，具体取决于退耦时的暗物质与SM温度比。
• 所需质量由相对论性物种的热丰度决定，与温度比ξf的立方成反比，即mχ ∝ ξf⁻³。
• 由于自由程被抑制，质量下限相比标准热暗物质更宽松，使得mχ ≃ 3 keV成为可行选择。
• 额外弱相互作用的约束要求耦合强度FImI³ᐟ²小于∼2.6 × 10⁻¹⁰ TeV⁻¹ᐟ²，以确保暗物质不超过1%的过度产生。
• χ粒子衰变至SM态可能发生在宇宙时标上，当mχ ∼ 10 keV且耦合常数λ ∼ 10⁻⁵时，其寿命可超过10⁴ Gyr，可能产生可观测的能量谱。
• 该模型允许在物质功率谱中出现可观测特征，特别是当轻量级隐sector粒子ψ也对暗物质有贡献且具有更长的自由程时。