[论文解读] Primordial Black Hole Evaporation and Dark Matter Production: II. Interplay with the Freeze-In/Out Mechanism

Andrew Cheek, Lucien Heurtier+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2021

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文研究了原初黑洞（PBH）蒸发对通过冻结-out和冻结-in机制产生的暗物质（DM）的影响，表明PBH可作为熵源，稀释热暗物质并改变其遗迹丰度。论文推导了在PBH主导的早期宇宙中DM遗迹密度的解析公式，并通过公开可用的代码进行数值玻尔兹曼方程求解，验证了PBH抑制或热化DM的参数区域。

ABSTRACT

We study how the evaporation of primordial black holes (PBHs) can affect the production of dark matter (DM) particles through thermal processes. We consider fermionic DM interacting with Standard Model particles via a spin-1 mediator in the context of a Freeze-Out or Freeze-In mechanism. We show that when PBHs evaporate after dominating the Universe's energy density, PBHs act as a source of DM and continuously inject entropy into the visible sector that can affect the thermal production in three qualitatively different ways. We compute the annihilation cross-sections which account for the interactions between and within the PBH produced and thermally produced DM populations, and establish a set of Boltzmann equations which we solve to obtain the correct relic abundance in those different regimes and confront the results with a set of different cosmological constraints. We provide analytic formulae to calculate the relic abundance for the Freeze-Out and Freeze-In mechanism in a PBH dominated early Universe. We identify regions of the parameter space where the PBHs dilute the relic density and thermalization occurs. Furthermore, we have made our code that numerically solves the Boltzmann equations publicly available.

研究动机与目标

• 理解原初黑洞（PBH）蒸发如何影响早期宇宙中通过冻结-out和冻结-in机制产生的暗物质（DM）。
• 模拟通过PBH蒸发产生的DM与热产生DM之间的相互作用，特别关注熵注入和热化过程。
• 推导在冻结-out和冻结-in情景下，PBH主导宇宙中DM遗迹丰度的解析表达式。
• 识别PBH稀释DM遗迹密度或在PBH产生与热产生DM族群之间诱导热化的参数空间区域。
• 提供一个公开可用的数值代码，求解在这些条件下DM和PBH族群的耦合玻尔兹曼方程。

提出的方法

• 建立一组耦合的玻尔兹曼方程，描述PBH产生和热产生DM族群的演化，包括相互作用和熵注入。
• 推导不同温度下两族群之间DM相互作用的热平均截面，将标准Gondolo-Gelmini形式拓展至非平衡系统。
• 使用完整的灰色体因子描述PBH蒸发，避免几何光学近似，以计算发射DM粒子的相空间分布。
• 对各种初始PBH质量和耦合参数区域数值求解玻尔兹曼方程，并与宇宙学约束进行比较。
• 推导在PBH主导的早期宇宙中，冻结-out和冻结-in机制下DM遗迹丰度的解析公式。
• 通过将数值解与解析近似比较，并利用动量平均截面检验热化条件，验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 PBH蒸发如何改变通过冻结-out或冻结-in机制产生的DM遗迹丰度？
• RQ2 在何种参数区域内，PBH会稀释热DM遗迹密度，或在PBH产生与热产生DM之间诱导热化？
• RQ3 PBH自旋和完整灰色体因子对PBH产生DM的相空间分布和最终丰度有何影响？
• RQ4 PBH产生与热产生DM族群之间的相互作用如何影响最终遗迹密度？在何种条件下动量平均截面可被可靠使用？
• RQ5 在PBH主导的早期宇宙中，冻结-out和冻结-in机制下DM遗迹丰度的解析表达式是什么？

主要发现

• 当PBH主导宇宙能量预算时，PBH蒸发可显著稀释热产生暗物质的遗迹密度，使最终丰度低于标准热预测值。
• 当相互作用速率超过哈勃膨胀速率时，PBH产生与热产生DM之间发生热化，该条件通过适用于非等温族群的广义热平均截面量化。
• 在PBH主导的宇宙中，为冻结-out和冻结-in机制推导出DM遗迹丰度的解析公式，实现参数空间的快速扫描。
• 识别出PBH抑制遗迹密度或诱导热化的参数空间区域，表明PBH质量与DM耦合强度是决定最终DM丰度的关键因素。
• 玻尔兹曼方程的数值解证实了解析近似的有效性，并揭示了PBH蒸发与热DM产生之间复杂的相互作用。
• 公开提供的玻尔兹曼方程求解代码支持结果的可重现性，并促进对早期宇宙中PBH-DM相互作用的进一步探索。