[论文解读] On the Realization of WIMPflation

Marcos A. G. García, Yann Mambrini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 59被引用 1

一句话总结

本文通过希格斯玻色子的门户耦合，提出了一种WIMPflation的实现方式——即暴胀子本身是弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者，其与标准模型希格斯玻色子通过大四次耦合（σ ≳ 10⁻³）相互作用。暴胀由四次项势能驱动，再加热过程通过暴胀子振荡期间的φφ → hh散射实现，导致在T_reh ≳ 10¹⁴ GeV时近乎瞬时再加热，随后暴胀子通过类似WIMP的湮灭过程冻结出来，与观测到的暗物质丰度和直接探测约束一致。

ABSTRACT

We consider models for inflation with a stable inflaton. Reheating is achieved through scattering processes such as $\phi \phi o h h$, where $h$ is the Standard Model Higgs boson. We consider the reheating process in detail and show that for a relatively large coupling (needed for the late annihilations of the inflaton during freeze-out), reheating is almost instantaneous leading to a relatively high reheating temperature. The process $\phi \phi \leftrightarrow h h$ brings the inflaton back into equilibrium, leading to a well studied scalar singlet dark matter candidate and Higgs portal model. We argue that such models can be derived from no-scale supergravity.

研究动机与目标

• 构建一个现象学上可行的暴胀模型，使暴胀子同时作为WIMP暗物质候选者。
• 解决稳定暴胀子无法衰变所带来的再加热挑战。
• 表明当暴胀子势能主要由四次项主导时，φφ → hh等散射过程可导致辐射主导和高再加热温度。
• 证明此类模型可从无标度超引力中导出，确保暴胀子的自然稳定性与暴胀一致性。
• 通过熵稀释或晚期引力子衰变缓解过量引力子产生问题，从而调和高再加热温度与引力子问题。

提出的方法

• 采用四次项暴胀子势能 V ∝ λ(φ/M_P)^k（k ≥ 4），在振荡期间导致 ρφ ∝ a⁻⁴ 和 ρR ∝ a⁻³，从而实现辐射主导。
• 引入暴胀子φ与希格斯玻色子h之间的大耦合σ，使φφ → hh散射成为主要再加热机制。
• 应用有效场论框架，计算暴胀子振荡期间的再加热率与辐射能量密度演化。
• 从辐射与暴胀子振荡能量密度相等出发推导再加热温度T_reh，表明当σ较大时，T_reh ∝ (σ² M_P² / m_φ)^(1/4)。
• 利用无标度超引力构建UV完备模型，确保暴胀子的自然稳定性和四次项势能形式。
• 分析热历史，包括通过φφ → hh过程的WIMP样冻结，以确定暗物质丰度与直接探测约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 稳定暴胀子能否在通过散射过程实现再加热的同时，作为WIMP暗物质候选者？
• RQ2 在何种条件下，φφ → hh散射会导致辐射主导而非能量转移至暴胀子？
• RQ3 在四次项暴胀子势能与大σ耦合的模型中，再加热温度是多少？是否与大爆炸核合成及引力子问题相容？
• RQ4 此类模型能否嵌入无标度超引力等UV完备框架中？
• RQ5 从暗物质丰度与XENON1T等直接探测实验出发，对希格斯门户耦合σ有何约束？

主要发现

• 当暴胀子势能主要由四次项主导（k=4）时，通过φφ → hh散射实现再加热是可能且高效的，导致ρR ∝ a⁻³并实现辐射主导。
• 当σ ≳ 10⁻³时，再加热近乎瞬时，发生在暴胀子首次振荡期间，导致高再加热温度T_reh ≳ 10¹⁴ GeV。
• 高再加热温度会引发引力子过量产生问题，除非通过熵产生或晚期引力子衰变加以缓解。
• 暴胀子表现为具有希格斯门户耦合的标量单重态暗物质候选者，其丰度由φφ → hh湮灭过程的WIMP样冻结决定。
• 为满足XENON1T直接探测限制，暴胀子质量必须大于1.4 TeV，且在m_φ ≈ m_h/2的希格斯共振区σ ≲ 4×10⁻³，或在更高质量时σ ≈ 0.3–0.5。
• 该模型可在无标度超引力框架内实现，提供具有自然稳定性和暴胀动力学的UV完备框架。