[论文解读] How scalar-field dark matter may conspire to facilitate baryogenesis at the electroweak scale

Tanja Rindler-Daller, Bohua Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出，具有复值、超轻费米子场的标量场暗物质（SFDM）可在早期宇宙中诱导刚性状态方程，从而提高宇宙膨胀速率。这种修改后的宇宙学减弱了萨拉梅罗洗脱条件，使得尽管测得的希格斯玻色子质量为125 GeV，仍能实现强烈的电弱相变，从而在统一暗物质与重子不对称性生成的框架下，为电弱尺度上的重子生成提供了可行路径。

ABSTRACT

The cosmic evolution of a dark matter model which behaves relativistically in the early Universe is explored. Dark matter is described as a complex scalar field, whose earliest evolution is characterized by a stiff equation of state ($p \simeq ρ$). In this phase, it is the dominant component in the Universe. We present constraints from Big Bang nucleosynthesis and primordial gravity waves from inflation. Also, we study how the associated enhanced expansion rate due to the stiff phase might facilitate a first-order electroweak symmetry breaking phase transition, in light of the recently measured value of the Higgs boson mass.

研究动机与目标

• 解决长期以来因测得的125 GeV希格斯玻色子质量而受阻的电弱尺度重子生成问题。
• 探讨具有复值、超轻费米子场的标量场暗物质（SFDM）是否能同时解决暗物质与重子不对称性问题。
• 研究SFDM在早期的刚性阶段（p ≈ ρ）如何提高哈勃膨胀速率，从而减弱萨拉梅罗冻结条件。
• 评估在SFDM引起的修改膨胀历史背景下，标准模型中加入φ⁶项的电弱相变是否可能实现强烈的首阶相变。
• 利用大爆炸核合成与暴胀期间产生的原初引力波信号，对SFDM参数进行约束。

提出的方法

• 将暗物质建模为具有U(1)对称性的复标量场ψ，包含动能项、质量项与排斥性自相互作用项。
• 使用拉格朗日量 L = (ħ²/2m)g^{μν}∂_μψ*∂_νψ - (1/2)mc²|ψ|² - (λ/2)|ψ|⁴ 来描述SFDM的动力学与状态方程演化。
• 追踪SFDM从早期刚性阶段（p ≈ ρ）到辐射主导阶段（p ≈ ρ/3）最终过渡到冷暗物质主导阶段（p ≈ 0）的宇宙演化过程。
• 计算电弱相变时期哈勃膨胀速率H(a)，显示其因SFDM的刚性阶段而比标准ΛCDM宇宙学高出3–5个数量级。
• 评估萨拉梅罗冻结条件v/T ≥ 1.0，发现其在SFDM增强的膨胀下被减弱至Tₙ ≈ 70 GeV时v/T ≥ 0.73，Tₙ ≈ 150 GeV时v/T ≥ 0.55。
• 采用包含φ⁶项且受截止尺度Λ > 500 GeV抑制的修正希格斯势，以实现首阶相变，并在SFDM宇宙学背景下研究其可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有刚性早期阶段的标量场暗物质是否能在125 GeV希格斯玻色子质量下仍促进强烈的首阶电弱相变？
• RQ2 SFDM刚性阶段带来的增强膨胀速率如何影响重子生成所必需的萨拉梅罗洗脱条件？
• RQ3 大爆炸核合成与原初引力波对SFDM早期演化施加了何种约束？
• RQ4 在SFDM诱导的膨胀历史背景下，Higgs势中引入φ⁶项在多大程度上可实现可行的电弱重子生成机制？
• RQ5 SFDM参数（如质量m ≈ 10⁻²² eV/c²与耦合常数λ ≈ 10⁻⁶² eV cm³）如何影响电弱相变与重子生成的可行性？

主要发现

• 与标准ΛCDM宇宙学相比，标量场暗物质（SFDM）的刚性阶段在电弱相变期间使哈勃膨胀速率提高了3–5个数量级。
• 这种增强的膨胀速率减弱了萨拉梅罗冻结条件，使所需v/T比值从≥1.0降低至Tₙ ≈ 70 GeV时的≥0.73，以及Tₙ ≈ 150 GeV时的≥0.55。
• 只要SFDM的早期演化被适当调制，该模型与大爆炸核合成及原初引力波约束保持一致。
• 在Λ ≳ 500 GeV条件下引入Higgs势中的φ⁶项可实现首阶相变，且在SFDM增强的膨胀背景下，其可行性进一步提高。
• 具有m ≈ 10⁻²² eV/c²与λ ≈ 10⁻⁶² eV cm³的SFDM可在大尺度上重现冷暗物质行为，同时通过de Broglie波长或自相互作用压强抑制小尺度结构形成。
• 电弱相变的临界温度与成核温度对修改后的膨胀历史不甚敏感，但相变的有效强度因洗脱过程减弱而显著增强。