[论文解读] Neutralino Relic Density Enhancement in Non-Standard Cosmologies

Stefano Profumo, Piero Ullio|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文表明，非标准宇宙学模型——如具有标量场（quintessence）或原初各向异性的模型——可使中性子的热残留密度增强多达六数量级，从而使大截面湮灭的超对称模型能够解释观测到的冷暗物质丰度，同时预测强烈的间接探测信号。

ABSTRACT

The thermal relic abundance of species critically depends on the assumed underlying cosmological model. In the case of neutralinos, freeze-out takes place long before Big Bang Nucleosynthesis, which provides the strongest constraint on the evolution of the Hubble parameter in the Early Universe. We show that non-standard cosmologies, such as models featuring a quintessential scalar field or primordial anisotropies, can lead to large enhancements in the neutralino relic abundance, up to six orders of magnitudes. Within these scenarios, supersymmetric models with large neutralino annihilation cross sections may account for the whole inferred amount of cold dark matter, yielding on the other hand large indirect detection rates.

研究动机与目标

• 研究非标准宇宙学模型对中性子热残留丰度的影响。
• 确定宇宙学增强是否可使具有大湮灭截面的超对称模型与观测到的冷暗物质密度相协调。
• 评估在标准残留丰度计算失效的情境下，对间接暗物质探测的影响。
• 探讨动力学标量场（quintessence）和原初各向异性在中性子冻结过程中对哈勃膨胀速率的修正作用。
• 量化在大爆炸核合成（BBN）约束下，中性子残留密度可能的最大增强程度。

提出的方法

• 使用共动数密度演化中的玻尔兹曼方程，结合有效湮灭率和哈勃膨胀率。
• 修改弗里德曼方程以包含额外能量组分，如具有指数势能的标量场 $ V(\theta) = M_{\text{Pl}}^4 \exp(-\lambda \theta / M_{\text{Pl}}) $。
• 引入参数 $ \xi_X = \rho_X / \rho_r $ 以量化冻结温度下非标准组分的相对能量密度。
• 分析 mAMSB（最小异常介导超对称性破缺）模型，研究在不同中性子质量和 $ \xi_\phi $ 值下残留密度的增强。
• 考虑其他宇宙学模型，如标量-张量理论和 Bianchi-I 各向异性模型，其中剪切能量密度 $ \rho_s \sim a^{-6} $ 可在冻结时占主导。
• 将结果与标准 $ \Lambda $CDM 模型进行比较，并以 WMAP 推荐的 $ \Omega_{\chi}h^2 \approx 0.11 $ 范围作为基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 非标准宇宙学，如具有 quintessence 场的模型，能将中性子残留密度增强到何种程度，超过标准 $ \Lambda $CDM 预测？
• RQ2 在大爆炸核合成约束下，中性子残留丰度的最大可能增强是多少？
• RQ3 原初各向异性和剪切主导的宇宙学如何影响中性子的冻结动力学和最终残留密度？
• RQ4 在非标准宇宙学中，具有大中性子湮灭截面的超对称模型是否仍能产生观测到的冷暗物质丰度？
• RQ5 在通过宇宙学机制增强残留密度的情境下，对间接暗物质探测有何影响？

主要发现

• 非标准宇宙学，特别是具有 quintessence 标量场的模型，可使中性子残留密度增强多达六数量级，达到 $ \Delta\Omega \sim 10^6 $。
• 在 mAMSB 模型中，残留密度增强与 $ \sqrt{\xi} $ 成正比，使类 Wino 中性子在广泛质量范围内均能符合 WMAP 观测的 $ \Omega_{\chi}h^2 $ 范围。
• 在 BBN 约束下，最大增强可达 $ \Delta\Omega \sim 10^6 $，这在 quintessence 模型中特定 $ \lambda $ 和 $ H_i $ 值下可实现。
• 在各向异性宇宙学（如 Bianchi-I）中，剪切能量密度 $ \rho_s \sim a^{-6} $ 可在冻结时占主导，导致显著的残留密度增强，其增强程度由 $ \xi $ 量化。
• 在 $ \Lambda $CDM 中残留密度较低的模型——特别是类 Wino 和类 Higgsino 的中性子——可在非标准宇宙学中实现正确的 $ \Omega_{\chi}h^2 $，从而产生强烈的间接探测信号。
• 研究表明，间接探测率与 $ \langle\sigma_{\text{eff}}v\rangle $ 呈线性关系，因此增强的残留密度使大截面湮灭模型仍具可行性，同时可预测可观测信号。