[论文解读] Implications of mixed axion/neutralino dark matter for the Cosmic Frontier: a Snowmass whitepaper

Kyu Jung Bae, Howard Baer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 4

一句话总结

本雪松会议白皮书研究了在统一超对称（SUSY）与Peccei-Quinn（PQ）对称性的模型中，轴子与中性子混合暗物质的性质，表明这两种粒子作为暗物质遗迹共存。研究显示，轴子、轴ino、saxion与中性子的热与非热产生过程改变了早期宇宙的宇宙学演化，其中轴子与中性子的丰度需通过因子ξ < 1进行重新标定，显著影响宇宙前沿的直接与间接探测预测。

ABSTRACT

If one simultaneously invokes the SUSY solution to the gauge hierarchy problem and the PQ solution to the strong CP problem, then one might expect mixed axion/neutralino dark matter (DM), i.e. two dark matter particles. In this case, dark matter production involves oscillation production of axions, thermal and non-thermal neutralino production and thermal and non-thermal production of axinos and saxions. The latter particles may feed additional neutralinos into the cosmic soup, or dilute all relics via additional entropy production, or feed dark radiation into the cosmos. Depending on the SUSY and PQ model, the PQ scale can easily exist from 10^9-10^{16} GeV. Axions may lie well beyond the range currently being probed by experiment. In the case of relic WIMPs, theoretical predictions must be rescaled for the possibility that WIMPs only comprise a fraction of the local DM abundance.

研究动机与目标

• 研究当同时引入超对称与PQ对称性时，混合轴子/中性子暗物质的宇宙学影响。
• 分析轴子、轴ino、saxion与中性子的热与非热产生过程如何改变大爆炸核合成前的宇宙学演化与遗迹丰度。
• 通过考虑中性子可能仅占总暗物质密度的一部分，重新标定直接与间接WIMP探测的极限。
• 评估高尺度PQ模型（fa ~ 10^16 GeV）的可行性，其中轴子产生被抑制，但saxion衰变可能增强或稀释暗物质遗迹。
• 在混合暗物质情景下，为轴子与WIMP探测实验提供更新的理论预测。

提出的方法

• 以引力中介的SUSY破缺建模早期宇宙，其中saxion与轴ino的产生率依赖于再热温度TR与PQ尺度fa。
• 使用相干振荡（CO）与热产生（TP）率描述saxion与轴ino，其中在高fa（~10^13–10^16 GeV）时CO占主导。
• 应用轴子质量公式 ma ≈ 6.2 μeV × (10^12 GeV/fa) 与CO产生轴子的遗迹丰度公式 Ωah² ≈ 0.18θ²(fa/10^12 GeV)^1.19(ΛQCD/400 MeV)，计算轴子丰度。
• 通过热冻结过程推导中性子遗迹密度，其中 σv ∼ 3×10^{-27} cm³/s，并在中性子为次主导时，通过因子 ξ = Ωχh² / 0.12 对预测结果进行标定。
• 评估轴ino与saxion衰变：衰变为SM粒子（熵稀释）、衰变为轴子（暗辐射），或衰变为SUSY粒子（中性子丰度增强）。
• 对直接与间接WIMP探测截面分别应用因子ξ与ξ²进行重新标定，以反映暗物质成分中仅部分为WIMP的事实。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴子与中性子暗物质共存如何改变大爆炸核合成前的早期宇宙宇宙学？
• RQ2 混合轴子/中性子暗物质对WIMP遗迹丰度有何影响？探测极限应如何重新标定？
• RQ3 saxion与轴ino衰变如何影响最终的暗物质密度与暗辐射约束？
• RQ4 在SUSY-PQ模型中，PQ尺度（fa）的何种范围可实现轴子主导或中性子主导的暗物质？
• RQ5 混合暗物质情景如何影响对正在进行与未来轴子与WIMP探测实验的解读？

主要发现

• 在SUSY-PQ模型中，中性子遗迹丰度因因子ξ = Ωχh² / 0.12 而减少，需对直接探测截面进行ξ因子重新标定。
• 对于质量约为100 GeV的higgsino型WIMP，自旋无关截面为 σ^SI(χp) ~ 5×10^{-9} pb，但仅在ξ ~ 0.07–0.10时才与Xe-100实验的限制一致。
• 在SUSY KSVZ模型中，轴ino与saxion的产生率满足 Y~TP ~ 10^{-5} × (fa/10^12 GeV)^2 × (TR/10^8 GeV)，在高fa时CO占主导。
• 当 fa ~ 10^13–10^16 GeV 时，CO产生的saxion占主导，其衰变可能增强中性子丰度或稀释所有遗迹，具体取决于衰变分支比。
• 若轴子分数非主导，如高fa时初始错位角θi较小，AXM等轴子探测实验可能遗漏真实的轴子丰度。
• 对WIMP湮灭产生γ射线或反物质的间接探测，需对理论通量进行ξ²因子重新标定，因为仅部分暗物质为WIMP。