[论文解读] Non-thermal dark matter: supersymmetric axions and other candidates

Howard Baer, Ki-Young Choi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文回顾了非热暗物质（DM）的产生机制，重点探讨了能够解决强CP问题与层次问题的超对称轴子模型。研究分析了结合WIMPs与玻色子相干运动（BCM）的混合暗物质情景，表明非热遗迹粒子可在避开大型强子对撞机（LHC）约束的同时，提供可行的宇宙学解决方案。

ABSTRACT

Increasingly stringent limits from LHC searches for new physics, coupled with lack of convincing signals of weakly interacting massive particle (WIMP) in dark matter searches, have tightly constrained many realizations of the standard paradigm of thermally produced WIMPs as cold dark matter. In this article, we review more generally both thermally and non-thermally produced dark matter (DM). One may classify DM models into two broad categories: one involving bosonic coherent motion (BCM) and the other involving WIMPs. BCM and WIMP candidates need, respectively, some approximate global symmetries and almost exact discrete symmetries. Supersymmetric axion models are highly motivated since they emerge from compelling and elegant solutions to the two fine-tuning problems of the Standard Model: the strong CP problem and the gauge hierarchy problem. We review here non-thermal relics in a general setup, but we also pay particular attention to the rich cosmological properties of various aspects of mixed SUSY/axion dark matter candidates which can involve both WIMPs and BCM in an interwoven manner. We also review briefly a panoply of alternative thermal and non-thermal DM candidates.

研究动机与目标

• 解决大型强子对撞机（LHC）未发现新物理信号与冷暗物质WIMP范式之间的日益加剧的矛盾。
• 探索非热暗物质产生作为热生成WIMPs的可行替代方案。
• 检验同时包含WIMPs与玻色子相干运动（BCM）的混合暗物质模型在宇宙学上的可行性。
• 评估超对称轴子模型在非热暗物质框架下解决强CP问题与层次问题的潜力。
• 综述标准WIMP范式之外的各类热与非热暗物质候选者。

提出的方法

• 分析早期宇宙中非热暗物质产生的机制，重点关注晚期或非平衡态的产生过程。
• 研究具有近似全局对称性（用于BCM）与精确离散对称性（用于WIMPs）的模型，作为区分暗物质产生路径的依据。
• 探究WIMPs与BCM组分共存的混合暗物质情景，分析其交织演化的宇宙学过程。
• 应用宇宙学约束条件评估混合SUSY/轴子模型在当前观测限制下的可行性。
• 综述将超对称轴子与强CP问题及层次问题联系起来的理论框架，作为非热暗物质研究的动机。
• 利用通用有效场论与对称性论证，对超越热WIMP范式的暗物质候选者进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 非热暗物质产生机制是否能够规避对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）的严格LHC约束？
• RQ2 超对称轴子模型如何在同时解决强CP问题与层次问题的同时，作为可行的非热暗物质候选者？
• RQ3 结合WIMPs与玻色子相干运动（BCM）的混合暗物质模型具有哪些宇宙学影响？
• RQ4 近似全局对称性与精确离散对称性在非热暗物质候选者分类中分别扮演何种角色？
• RQ5 在理论动机与观测可行性方面，替代性热与非热暗物质候选者之间有何比较？

主要发现

• 非热暗物质产生为热生成WIMPs提供了可行的替代方案，尤其在LHC未发现新物理信号的背景下更具吸引力。
• 超对称轴子模型具有高度理论动机，因其能够同时解决强CP问题与层次问题。
• 包含WIMPs与玻色子相干运动（BCM）的混合暗物质模型展现出丰富的宇宙学动力学行为，并可满足当前观测约束。
• BCM候选者依赖于近似全局对称性，而WIMPs则依赖于近乎精确的离散对称性，这揭示了二者理论基础的本质差异。
• 本文证明，非热遗迹粒子可在无需热冻结过程的前提下，提供一致的暗物质丰度。
• 系统综述了一类广泛的热与非热暗物质候选者，凸显了其在理论与现象学上的多样性。