[论文解读] Hidden sectors and a multi-temperature universe

Amin Aboubrahim, Wan-Zhe Feng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用 5

一句话总结

本文提出了一种多温度宇宙的形式化理论，其中可见 sector 与隐藏 sector（包含暗物质和暗规范力）在独立的热库中演化。该理论表明，隐藏 sector 的暗光子可介导暗物质中的速度依赖型自相互作用，与星系至星系团尺度的观测数据相符；同时证明，两个隐藏 sector 可使暗光子成为暗物质的主要组分，同时满足宇宙学与天体物理学中的遗迹密度与寿命约束。

ABSTRACT

A variety of supergravity and string based models contain hidden sectors which can play a role in particle physics phenomena and in cosmology. In this note we discuss the possibility that the visible sector and the hidden sectors in general live in different heat baths. Further, it is entirely possible that dark matter resides partially or wholly in hidden sectors in the form of dark Dirac fermions, dark neutralinos or dark photons. A proper analysis of dark matter and of dark forces in this case requires that one deals with a multi-temperature universe. We discuss the basic formalism which includes the multi-temperature nature of visible and hidden sectors in the analysis of phenomena observable in the visible sectors. Specifically we discuss the application of the formalism for explaining the velocity dependence of dark matter cross sections as one extrapolates from galaxy scales to scales of galaxy clusters. Here the dark photon exchange among dark fermions can produce the desired velocity dependent cross sections consistent with existing galactic cross section data indicating the existence of a new fifth (dark) force. We also discuss the possibility that the dark photon may constitute a significant portion of dark matter. We demonstrate a realization of this possibility in a universe with two hidden sectors and with the visible sector and the hidden sectors in different heat baths which allows a satisfaction of the constraints that the dark photon have a lifetime larger than the age of the universe and that its relic density be consistent with Planck data. Future directions for further work are discussed.

研究动机与目标

• 为超引力与弦理论模型中可见 sector 与隐藏 sector 可能无法完全热化的情形，探讨隐藏 sector 的宇宙学影响。
• 发展可见 sector 与隐藏 sector 在不同温度下耦合热演化的形式化理论。
• 通过暗光子交换解释从星系尺度到星系团尺度观测到的速度依赖型暗物质截面。
• 探讨在宇宙学约束下，暗光子作为暗物质主要组分的可行性。
• 在允许隐藏 sector 温度低于可见 sector 的同时，满足额外相对论自由度对大爆炸核合成（BBN）的约束。

提出的方法

• 推导可见 sector 与隐藏 sector 温度的耦合演化方程，引入温度比如 ξ = T₁/T 与 ζ = T₂/T₁ 以描述多个隐藏 sector 的情形。
• 利用跨耦合 sector 的能量与熵守恒，修改弗里德曼方程以包含可见 sector 与隐藏 sector 的贡献。
• 应用规范混合与史特鲁克尔贝格质量混合，实现隐藏 U(1) 规范群与超荷场之间的相互作用。
• 构建一个包含暗费米子（暗物质）与暗光子（作用力传播子）的模型，假设传播子质量远小于暗费米子质量。
• 对温度比进行数值演化，追踪从早期宇宙至大爆炸核合成（BBN）与现今时代的热历史。
• 评估暗光子的遗迹密度与寿命约束，表明两个隐藏 sector 可使暗光子同时满足普朗克观测数据与宇宙学稳定性要求。

实验结果

研究问题

• RQ1 当隐藏 sector 的温度与可见 sector 不同时，对早期宇宙热演化有何影响？
• RQ2 暗光子是否可介导速度依赖型暗物质自相互作用，使其与星系尺度至星系团尺度的动力学观测一致？
• RQ3 在何种条件下，暗光子可构成暗物质的大部分，同时保持稳定并符合普朗克的遗迹密度测量结果？
• RQ4 隐藏 sector 的数量如何影响大爆炸核合成期间的热解耦与熵约束？
• RQ5 双隐藏 sector 模型能否调和高暗光子遗迹密度与超过宇宙年龄的长寿命之间的矛盾？

主要发现

• 该模型表明，暗光子介导的暗费米子间相互作用可产生与星系至星系团尺度天体物理数据一致的速度依赖型截面。
• 单个隐藏 sector 无法同时满足暗光子遗迹密度与寿命约束；必须引入两个隐藏 sector 才能满足两者。
• 温度比 T₂/T₁ 独立演化且对第二隐藏 sector 始终保持小于 1，使其在 BBN 期间避免导致宇宙过度闭合。
• 该形式化理论可精确描述多 sector 的热演化，纠正了以往假设各 sector 独立熵守恒的错误。
• 若第二隐藏 sector 在 BBN 时期温度低于可见 sector，则暗光子可构成暗物质的显著部分。
• 该模型与 SuperCDMS 与 e-ASTROGAM 的观测约束一致，尤其在亚 GeV 至 keV 质量范围内。