[论文解读] New Old Mechanism of Dark Matter Burning

A. D. Dolgov|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本文識別出一種三體湮滅過程 $2\theta \rightarrow 3\theta$，作為抑制大質量、弱相互作用暗物質粒子（theta-粒子）剩餘豐度的機制，從而解決宇宙學上的過量產生問題。此機制於1980年提出，其剩餘密度的標度為 $1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$，明顯不如標準的二體湮滅有效，且早於近期對暗物質模型中「輔助湮滅」的重新發現。

ABSTRACT

Recently several papers have been published, where "a new mechanism" of dark matter burning and freezing is suggested. The usual two-body annihilation process is generalized to multi-body initial states, mostly three-body. These processes have quite a few interesting cosmological implications. I want to indicate here that such a process was studied in 1980 to determine the cosmological number density of the so called theta-particles. The file of the translated into English original paper and the reference to the published English version are attached.

研究动机与目标

• 為解決大質量、弱相互作用暗物質粒子（theta-粒子）在大尺度約束半徑下的宇宙學過量產生問題。
• 證明三體湮滅過程可有效抑制此類粒子的剩餘豐度。
• 確立 $2\theta \to 3\theta$ 湮滅所產生的剩餘密度與 $1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$ 成比例，與二體過程的 $1/m_{\text{Pl}}$ 標度不同。
• 強調此機制最早於1980年提出，早於近期文獻中對「輔助湮滅」的重新發現。
• 為透過多體過程實現輕質量、大質量、弱耦合暗物質候選者的可行性提供理論基礎。

提出的方法

• 利用輻射主導早期宇宙中的動力學理論推導 theta-粒子的剩餘數密度。
• 分析三體湮滅過程 $2\theta \rightarrow 3\theta$ 作為主要凍結出通道。
• 應用玻爾茲曼方程計算凍結出溫度與最終剩餘密度。
• 將 $2\theta \to 3\theta$ 的剩餘密度標度與標準 $2\to 2$ 湮滅進行比較，顯示 $r_f^{(3\to2)} \sim 1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$。
• 利用動力學脫耦條件確定凍結出溫度與最終數密度。
• 評估模型參數的宇宙學約束，包括約束尺度 $\Lambda_\theta$ 與質量 $m_\theta$。

实验结果

研究问题

• RQ1 三體湮滅過程是否足以抑制大質量、弱相互作用暗物質粒子的剩餘豐度，以避免宇宙學上的過量產生？
• RQ2 與標準二體湮滅相比，$2\theta \to 3\theta$ 湮滅的剩餘密度如何隨普朗克質量變化？
• RQ3 基於 $2\theta \to 3\theta$ 過程，theta-粒子的質量與約束尺度受到哪些宇宙學約束？
• RQ4 為何 $2\theta \to 3\theta$ 湮滅過程的凍結效率低於 $2\to 2$ 準則？
• RQ5 此機制在多大程度上早於並可解釋近期暗物質模型中對「輔助湮滅」的重新發現？

主要发现

• 由 $2\theta \to 3\theta$ 湮滅產生的剩餘密度與 $1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$ 成比例，使其抑制豐度的效率低於 $2\to 2$ 準則（其比例為 $1/m_{\text{Pl}}$）。
• $2\theta \to 3\theta$ 過程提供了一種可行機制，可將 theta-粒子的剩餘豐度抑制至宇宙學可接受的水平。
• 根據穩定性與觀測約束，若所有 $\theta$ 質量在同一量級，模型預測 $\Lambda_\theta < 3$ MeV。
• tonium（$\theta\theta$ 結構態）的壽命必須超過 $10^{17}$ 秒，以避免與宇宙微波背景觀測產生衝突。
• 對於電荷極小的毫電荷粒子（$\epsilon \ll 1$），$X\bar{X} \to 2\gamma$ 時效較弱，但可透過電子催化作用實現：$X\bar{X}e \to e\gamma$。
• 此機制最早由 Dolgov 與 Okun 於1980年提出，早於近期在「輔助湮滅」語境下的重新發現。