[论文解读] More is Different: Non-Minimal Dark Sectors and their Implications for Particle Physics, Astrophysics, and Cosmology -- 13 Take-Away Lessons for Snowmass 2021

Keith R. Dienes, Brooks Thomas|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出，非最小暗区——包含多种质量、寿命和丰度的暗物质态——可引致出人意料的集体现象，例如动力学暗物质、静止时期以及新颖的对撞机和天体物理信号。以动力学暗物质（DDM）框架为模型，本文表明这些系统可自然满足宇宙学约束，同时实现超越标准WIMP或轴子范式的新型现象学。

ABSTRACT

The phrase "more is different" is often used to refer to the new, unexpected collective phenomena that can arise when the number of states in a given system is large. In this contribution to the Snowmass 2021 Study, we describe 13 unexpected collective phenomena that can arise when the dark sector contains a large number of states, contrary to the usual assumptions. These 13 take-away lessons stretch across all of the domains of relevance for dark-matter physics, including collider signatures, direct-detection signatures, indirect-detection signatures, new perspectives on dark-matter complementarity, and even unexpected astrophysical and cosmological phenomena that transcend those normally associated with single-component dark-matter scenarios. These lessons -- and the phenomena on which they are based -- thereby illustrate the need to maintain a broad perspective when contemplating the possible signatures and theoretical possibilities associated with non-minimal dark sectors.

研究动机与目标

• 挑战仅存在一个或少数几个稳定暗物质态的最小暗区假设。
• 研究大量暗区态集合如何引致单组分模型无法捕捉的集体涌现现象。
• 识别并系统化非最小暗区带来的新型理论与现象学可能性，尤其在DDM框架内。
• 通过突出直接、间接和对撞机搜索中被忽视的信号，指导未来实验和观测策略。
• 倡导在暗物质模型构建中采用更广阔的理论视角，接纳暗区中的不稳定性与复杂性。

提出的方法

• 采用动力学暗物质（DDM）框架作为理论范例，其中暗区包含大量质量与衰变宽度各异的态。
• 将暗区建模为具有层级衰变宽度的态塔，确保仅低丰度态显著衰变，从而满足宇宙学约束。
• 分析此类系统的宇宙学演化，包括热冻结出、非对称产生以及非单调的丰度分布。
• 研究组内衰变对膨胀历史的影响，表明其可平衡宇宙膨胀，产生持续时间极长的静止时期。
• 通过扩展的衰变链和非最小媒介子相互作用研究对撞机信号，预测新型动量分布和长寿命粒子信号。
• 研究直接和间接探测信号，包括共振增强效应和非传统相空间分布，源于多组分暗物质的集体行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 大量暗区态集合如何引致最小暗物质模型中不存在的集体现象？
• RQ2 具有大量衰变态的暗区在宇宙学上意味着什么，特别是对膨胀历史和再加热的影响？
• RQ3 非最小暗区如何改变对撞机信号，如动量端点和衰变链？
• RQ4 在多组分、不稳定的暗区背景下，暗物质互补性是否可重新定义？
• RQ5 从大暗区的集体动力学中，会涌现出哪些新的天体物理和宇宙学现象，如静止时期？

主要发现

• DDM框架允许存在大量质量与寿命各异的暗物质态，其中仅低丰度态显著衰变，从而满足大爆炸核合成（BBN）、宇宙微波背景（CMB）和光子背景的约束。
• 在热冻结出和非对称产生过程中，可出现非单调和共振型丰度分布，导致出人意料的暗物质产生机制。
• 组内衰变可平衡宇宙膨胀，导致长期静止时期，在此期间总物质和辐射丰度保持恒定，持续任意多倍的e-折叠。
• 此类静止态并非微调结果，而是系统动力学演化中的全局吸引子，表明其具有鲁棒性并可能具有宇宙学意义。
• 新型对撞机信号出现，包括通过长寿命媒介子的扩展衰变链以及非标准动量分布，可在专用长寿命粒子（LLP）实验中探测到。
• 直接和间接探测实验可能观测到共振增强效应或非热相空间分布，这是多组分暗区集体行为的结果。