[论文解读] Implication of nano-Hertz stochastic gravitational wave on dynamical dark matter through a dark first-order phase transition

Siyu Jiang, Aidi Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2023

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 56被引用 12

一句话总结

论文将 nano-Hertz 级随机引力波与来自强暗部本相变的动态暗物质情景联系起来，分析 Q-ball/Fermi-ball 与超冷 DM，并展示 SGWB 光谱可与 NANOGrav 数据对齐。

ABSTRACT

For the first time, the expected stochastic gravitational wave background is probably discovered after observing the Hellings Downs correlation curve by several pulsar timing array (PTA) collaborations around the globe including NANOGrav, European PTA, Parkes PTA, and Chinese PTA. These new observations can help to explore or constrain the dark matter (DM) formation mechanisms in the early Universe. We study the implication of those results on the dynamical DM formation mechanisms through a dark first-order phase transition in the early Universe. Both the Q-ball DM and super-cool DM are investigated in the strong super-cooling dark phase transition scenario which may give an interpretation of the observed stochastic gravitational wave background.

研究动机与目标

• 在 nano-Hertz SGWB 观测下阐明其如何约束早期宇宙中暗物质形成的动机。
• 研究在强暗部第一类相变期间的动态暗物质生成机制。
• 在 SGWB 信号背景下比较 Q-ball/Fermi-ball DM 与超冷 DM。
• 提供相变动力学及穿透率计算，将 DM 生成与 SGWB 连接起来。
• 评估 SGWB 光谱与 NANOGrav 观测的吻合度，以识别可行的参数区域。

提出的方法

• 用符合规缩放标量场和暗 U(1) 规范相互作用对暗部门建模，以实现强的超冷暗 FOPT（强超冷却的暗 FOPT）。
• 计算有限温度有效势，结合 Coleman-Weinberg 与热修正以确定 T_n 和 T_p。
• 利用泡壁动力学与穿过泡壁的 DM 穿透率导出 R_in 作为 v_w、m_chi 与 T 的函数。
• 将 Q-ball/Fermi-ball 场景与超冷 DM 场景中的 DM 冗余密度与相变参数和 R_in 的耦合联系起来。
• 计算来自泡碰撞、声波与湍流在穿透驱动的 FOPT 中的 SGWB 光谱，并与 NANOGrav 数据进行比较。
• 给出可复现 Ω_DM h^2 = 0.12 的基准点，并给出相应的相变参数。

Figure 1: The values of nucleation temperature $T_{n}$ and percolation temperature $T_{p}$ as function of the $y_{A}$ . We choose $M=10~{}\mathrm{MeV}$ .

实验结果

研究问题

• RQ1 强的超冷却暗 FOPT 如何影响动态暗物质（Q-ball、Fermi-ball 和超冷 DM）的生成与剩余密度？
• RQ2 PTA 观测到 nano-Hertz SGWB 信号是否可由与 DM 形成相关的暗部门相变产生的 SGWB 解释？
• RQ3 相变参数（T_p、alpha_p、beta/H_p、v_w）与泡壁穿透动态之间的关系是什么？
• RQ4 哪些参数区域在重现观测的 DM 冗余密度的同时，能得到与 NANOGrav 观测相符合的 SGWB 光谱？

主要发现

• 强的超冷却暗 FOPT 可以在 nano-Hertz 频段产生与 NANOGrav 观测相符合的 SGWB 光谱。
• 泡壁穿透率依赖于 m_χ/T 与泡壁速度，较高的 v_w 增加穿透，较大的 m_χ/T 抑制穿透。
• 当 DM 被困在泡内或部分穿透泡时，会产生 Q-ball 与 Fermi-ball DM 情景，其冗余密度由 R_in、c_χ 与 S_3(T_* )/T_* 的相互作用决定。
• 在 Fermi-ball DM 情况下，SGWB 由声波主导，且在具有特定 v_w、y_χ、c_χ 的基准点下可拟合低频 NANOGrav 信号。
• 超冷 DM 机制通过暴涨与再加热来稀释 DM 密度，可能在不需要标准冻结的情况下实现与观测一致的冗余密度。