[论文解读] Post-recombination Dark Matter for the 21-cm Signal

Zhaofeng Kang|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 9

一句话总结

该论文提出，暗物质（DM）在再组合之后、宇宙黎明之前产生，从而避开了对重子-DM散射的严格宇宙微波背景（CMB）约束。通过在再组合期间与热浴脱耦，具有100%遗迹密度的极小电荷DM可解释EDGES观测到的异常21厘米吸收信号，而不会违反CMB限制，提供了一种具有速度增强散射的可行单组分DM情景。

ABSTRACT

We have no certain knowledge of the early history of dark matter (DM). In this paper we propose a scenario where DM is produced post-recombination but prior to the cosmic dawn. It helps to relax the bounds on DM interactions, in particular with baryons, from the CMB. It may be of interest in some circumstances, for example, to understand the recent cosmic dawn 21-cm signal anomaly. We argue that the cosmic gas cooling mechanism via the minicharged DM-baryon scattering may be viable even if it takes up the total DM budget. We also investigate the possibility of a gluon-philic mediator of a few 10 keV, to find that the most reliable exclusion is from the neutron scattering.

研究动机与目标

• 为解决观测到的21厘米吸收信号与标准模型之间的张力，这需要宇宙气体温度低于CMB温度。
• 通过假设DM在再组合之后产生，从而与早期等离子体相互作用脱耦，来放松对重子-DM散射的CMB约束。
• 探讨具有100% DM密度的极小电荷DM是否能解释EDGES异常而不违反现有的天体物理约束。
• 研究在中子散射约束下，轻胶子亲和型媒介子在DM-重子散射背景下的可行性。

提出的方法

• 假设通过长寿命母粒子Y的衰变实现DM的晚期产生机制，其寿命τY ∈ (tR, tcd)，在再组合期间避免热化。
• 使用有效场论建模通过轻媒介子φ的DM-重子散射，其相互作用由耦合常数gϕχχ和gϕNN控制。
• 对极小电荷DM应用速度依赖的截面缩放σ̄(v) ∝ v−4，以增强宇宙黎明时期低速散射效应。
• 利用中子散射实验的约束，这些实验对媒介子耦合gϕNN提供了最可靠的限制。
• 为CP不变和CP奇胶子算符构建有效拉格朗日量，由于更强的散射增强效应，重点研究CP不变情况。
• 使用有效理论推导动量转移截面：σ̄ = (gϕχχ² gϕNN² / π) (μ² / mϕ⁴)，其中μ为约化质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 单组分极小电荷DM模型能否在不违反CMB约束的前提下解释EDGES 21厘米异常？
• RQ2 在10 keV质量范围内的轻媒介子(φ)对DM-重子散射的宇宙学和天体物理约束为何？
• RQ3 在再组合之后产生DM如何影响宇宙黎明时期速度增强型DM-重子散射的可行性？
• RQ4 对DM-重子耦合gϕNN的最强实验约束是什么？在晚期热化DM情景下能否规避这些约束？
• RQ5 质量为若干10 keV的胶子亲和型媒介子是否与中子散射和21厘米观测相容？

主要发现

• 当DM在再组合之后产生时，对重子-DM散射的CMB约束被规避，使得单组分DM模型能够解释21厘米异常。
• 即使通常要求DM占比仅约1%，在再组合之后产生的极小电荷DM若具有100%的DM遗迹密度，也能解释EDGES信号。
• 中子散射实验给出gϕNN ≲ 10⁻⁶的限制，这强烈抑制了散射截面，从而排除了通过轻媒介子解释21厘米异常的可能性。
• 对于CP不变胶子算符，有效耦合为FϕNN = (2/9) fT_G^(N) mN / Λ，其中核子的fT_G^(N) ≈ 0.83，导致可测量的相互作用强度。
• CP奇情况约束较弱，但其v⁻⁴速度依赖性被抑制，因此在低速下对冷却宇宙气体的效果较差。
• 对轻媒介子的最可靠排除来自中子散射实验，而非恒星冷却或第五种力搜索，因为其实验灵敏度更强。