[论文解读] Non-Thermal Production of Wino Dark Matter via the Decay of Long-Lived Particles

Takeo Moroi, Minoru Nagai+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文研究了通过长寿命粒子（如模场、引力微子、轴微子）衰变产生的非热Wino暗物质，表明即使在Wino质量低于2.9 TeV（此时热Wino剩留密度过低）的情况下，非热产生机制仍可产生观测到的暗物质密度。关键贡献在于精确计算中纳入了共湮没效应与索莫菲德增强，证明了在异常介导的SUSY模型中存在可行的Wino暗物质情景。

ABSTRACT

We consider supersymmetric models in which the neutral Wino is the lightest superparticle (LSP), and study the possibility that non-thermally produced Wino plays the role of dark matter. The thermal relic density of Wino is smaller than the present mass density of dark matter if wino mass is smaller than 2.9 TeV; however, even with smaller Wino mass, Wino can be the dominant component of dark matter if it is non-thermally produced by the decay of an exotic particle. In order to study such a possibility in detail, we perform a precise calculation of the present mass density of Wino produced by the exotic-particle decay, taking account of the following effects: (i) coannihilation among charged and neutral Winos, and (ii) Sommerfeld effect on the pair annihilation cross section of Winos. We consider several well-motivated cases where the exotic particle corresponds to cosmological moduli fields, gravitino, or axino, and discuss the implication of the Wino LSP for these cases.

研究动机与目标

• 探讨在模场、引力微子或轴微子等长寿命粒子衰变下，Wino暗物质非热产生的可行性。
• 解决由于晚期衰变的长寿命粒子导致LSP过量产生而引发的宇宙闭合问题。
• 精确计算中性Wino的剩留密度，同时考虑带电与中性Wino之间的共湮没效应以及湮灭截面的索莫菲德增强。
• 评估在具有物理动机的SUSY模型（特别是异常介导SUSY破缺）中，非热产生的Wino作为主导暗物质组分的一致性。

提出的方法

• 建立用于计算中性Wino非热产生（来自长寿命粒子X衰变）的丰度的理论框架，假设X在大爆炸核合成之后发生衰变。
• 纳入带电与中性Wino之间的共湮没效应，当衰变温度超过W±与W⁰之间的质量分裂时，该效应尤为重要。
• 利用索莫菲德增强因子来描述高能标下（mW̃ ≳ 1 TeV）Wino对湮灭截面的增强，该增强源自非相对论有效场论中的量子修正。
• 通过相对论量子场论中的相空间与动力学因子，数值计算最终的Wino剩留密度，涵盖全部湮灭通道（包括W⁺W⁻、ZZ、Zγ、γγ及费米子对）。
• 引入表1中的动力学因子D与索莫菲德因子|A|²，质量比以Wino质量为归一化基准。
• 应用湮灭截面公式：σv = (π²α₂² / mW̃²) × Σ(2S+1)P(x₁,x₂)D|A|²，其中D与|A|²对每种末态均以表格形式给出。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使热Wino产生过少，通过模场、引力微子或轴微子等长寿命粒子衰变产生的非热Wino暗物质是否仍可解释观测到的暗物质剩留密度？
• RQ2 在非热产生情景中，带电与中性Wino之间的共湮没过程如何影响中性Wino的最终剩留密度？
• RQ3 在高Wino质量下，Wino对湮灭截面的索莫菲德增强在多大程度上改变了剩留密度的计算结果？
• RQ4 对晚期衰变粒子（如τ < 1秒）的宇宙学约束，对这类非热Wino暗物质模型的可行性施加了何种限制？
• RQ5 在标量较重的异常介导SUSY破缺模型中，尽管热剩留密度较低，Wino是否仍可作为主导暗物质组分？

主要发现

• 当mW̃ ≲ 2.9 TeV时，热Wino剩留密度不足以解释观测到的暗物质密度，因此必须依赖非热产生机制。
• 即使Wino质量低于2.9 TeV，通过模场、引力微子或轴微子等长寿命粒子衰变产生的非热Wino仍可产生与观测暗物质丰度一致的剩留密度。
• 带电与中性Wino之间的共湮没显著抑制了最终的剩留密度，尤其在衰变温度远高于W±–W⁰质量分裂（约150–165 MeV）时更为明显。
• 在质量高于~1 TeV时，索莫菲德增强使Wino对湮灭截面提升数个数量级，进一步抑制剩留密度，从而增强非热产生机制的可行性。
• 当mW̃ ≳ 1 TeV时，共湮没与索莫菲德增强的共同作用导致最终Wino剩留密度显著降低，使非热产生成为可行的暗物质产生机制。
• 只要长寿命粒子X在大爆炸核合成之前或之后不久衰变（τ < ~1秒），该模型仍与宇宙学约束一致，避免破坏轻元素合成。