[论文解读] Regurgitated Dark Matter

TaeHun Kim, Philip Lu+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2023

Cosmology and Gravitation Theories被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的暗物质（DM）产生机制，称为再生暗物质（Regurgitated Dark Matter, RDM），其中原初黑洞（PBHs）由暗物质粒子形成并蒸发，重新释放暗物质，从而生成观测到的遗迹丰度。该机制允许在1 GeV至10^16 GeV范围内的费米子和标量暗物质，重新开放了以往因传统约束而被排除的参数空间。

ABSTRACT

We present a new paradigm for the production of the dark matter (DM) relic abundance based on the evaporation of early Universe primordial black holes (PBHs) themselves formed from DM particles. As a concrete realization, we consider a minimal model of the dark sector in which a first-order phase transition results in the formation of Fermiball remnants that collapse to PBHs, which then emit DM particles. We show that the regurgitated DM scenario allows for DM in the mass range $\sim1$ GeV $- \,10^{16}$ GeV, thereby unlocking parameter space considered excluded.

研究动机与目标

• 为解决长期以来依赖暗物质直接相互作用来解释观测到的暗物质遗迹丰度的挑战。
• 探索一种新范式：暗物质粒子形成原初黑洞，随后蒸发再生暗物质，从而绕过传统热冻结约束。
• 证明在该框架下，费米子和标量暗物质候选者均可成功解释遗迹丰度。
• 识别此前因对撞机和直接探测实验而被认为被排除的可行参数空间——特别是WIMP和WIMPZilla质量范围。
• 提出与形成费米球和原初黑洞的第一级相变相关的引力波信号，为多信使检验提供可能。

提出的方法

• 该模型基于一个具有标量场 $\phi$ 和费米子 $\chi$ 的暗区第一级相变（FOPT），其中通过Yukawa相互作用和Higgs门户耦合 $\kappa$ 实现相互作用。
• 由于暗物质不对称性 $\eta_\chi$，费米球残余物在相变完成时坍缩形成原初黑洞（PBHs）。
• 这些PBH随后经历Hawking蒸发，以改变后的能量和动量分布重新发射暗物质粒子（包括 $\phi$ 和 $\chi$），且与暗物质自相互作用无关。
• 通过追踪蒸发速率、PBH寿命以及向热浴的能量注入，利用PBH数密度和冷却 timescale 计算遗迹丰度。
• 该模型利用Higgs门户耦合 $\kappa$ 实现标准模型（SM）相互作用，从而可应用来自隐形Higgs衰变和直接探测的约束。
• 通过公式 $f_{\rm GW} \sim \mathcal{O}(10^{-2})\,\text{mHz} \cdot (\beta/H_\star/100)(T_\star/1\,\text{GeV})$ 估算第一级相变产生的引力波信号，潜在可被LISA及其他未来激光干涉仪探测。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以通过PBH蒸发产生观测到的暗物质遗迹丰度，而无需依赖热冻结或暗物质直接相互作用？
• RQ2 在RDM情景下，暗物质粒子（费米子或标量）的可行质量范围是什么？该机制能否规避对撞机和直接探测实验的标准约束？
• RQ3 包含第一级相变和费米球形成如何影响PBH形成及后续的暗物质再生过程？
• RQ4 第一级相变的引力波信号及其对PBH蒸发的影响是什么？它们能否作为RDM机制的关联探测手段？
• RQ5 RDM情景能否容纳类似WIMP和WIMPZilla的暗物质质量？宇宙学过量生成限制如何影响参数空间？

主要发现

• RDM情景在约1 GeV至约10^16 GeV的广泛质量范围内成功生成了观测到的暗物质遗迹丰度，包括此前被排除的区域。
• 对于质量 $m_\phi \lesssim \text{TeV}$ 的标量暗物质，由于耦合抑制和对 $\kappa$ 的依赖，RDM机制避开了直接探测和隐形Higgs衰变的强约束。
• 在WIMPZilla质量范围（$10^{12} \lesssim m_\phi \lesssim 10^{16}$ GeV）内，通过假设低尺度暴胀（$H_e \sim 10^{13}$ GeV），该情景避免了引力过量生成，与当前约束一致。
• 费米子暗物质（$\chi$）也可构成遗迹丰度的显著部分，其通过 $\phi$ 和Higgs门户的圈级相互作用与标准模型间接耦合。
• 该情景预测了来自第一级相变的随机引力波背景，其峰值频率位于毫赫兹频段，可能被LISA、爱因斯坦望远镜和宇宙探索者探测。
• PBH蒸发过程扰乱了初始暗物质分布，因此最终的遗迹丰度不由标准热或湮灭截面决定，从而开启了新的产生动力学。