[论文解读] Scalar field dark matter with two components: combined approach from particle physics and cosmology

Eréndira Gutiérrez-Luna, Belen Carvente+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 80被引用 11

一句话总结

本文研究了一种由经典复标量场与轴子样或希格斯样场组合而成的两组分标量场暗物质模型，结合宇宙学与粒子物理约束。研究发现，尽管轴子-希格斯组合无法满足有效中微子种类数（Neff）在大爆炸核合成（BBN）中的限制，但经典-希格斯样场组合对希格斯样场在暗物质中的贡献施加了严格上限，从而降低了其在直接探测中的可探测性。

ABSTRACT

In this work we explore the possibility of incorporating particle physics motivated scalar fields to the dark matter cosmological model. In this landscape, we consider the classical complex scalar field in a certain region in the parameter space of the model that increases the number of neutrino species $N_{\mathrm{eff}}$, in order to be consistent with the observed abundance of light elements produced at Big Bang Nucleosynthesis (BBN). We perform analyses using one and two scalar fields. We examine the difference between these models and the priors considered at the edges of the cosmic ladder, this with the purpose of studying the impact of such models on the Hubble cosmic flow. In the two scalar field models we explore the possibility of combining an axion and a Higgs-like field as well as a Higgs-like field and the classical field, we show that in the first case there is no set of parameters that allows us to be consistent with $N_\mathrm{eff}$, while in the second case a strong restriction to the set of parameters is obtained. This last restriction is given in terms of a maximum bound of the fraction of Higgs-like field that can be incorporated together with the classical field. Our results could be relevant in the direct dark matter detection programs.

研究动机与目标

• 在宇宙学框架内，探索将经典、轴子样和希格斯样场组合的两组分标量场暗物质模型的可行性。
• 评估此类多组分模型对大爆炸核合成（BBN）期间有效中微子种类数（Neff）的影响，这是关键的宇宙学约束条件。
• 确定在结合经典与希格斯样标量场时，BBN与哈勃流测量所施加的参数空间限制。
• 评估此类模型对直接暗物质探测实验的影响，特别是对较重标量场探测概率的降低。
• 确定轴子样与希格斯样场是否能在单一暗物质模型中共存而不违反已确立的宇宙学观测。

提出的方法

• 构建一个包含两个经典复标量场的宇宙学模型，每个场由带有四次势 V(|φ|) = μ²|φ|² + σ²|φ|⁴ 的克莱因-戈登方程描述。
• 应用大爆炸核合成（BBN）约束以限制有效中微子种类数（Neff），确保与观测到的轻元素丰度一致。
• 利用哈勃参数测量（例如来自宇宙距离 ladder）约束哈勃流，并在宇宙学尺度上检验模型的可行性。
• 对两场组合进行参数空间扫描：(1) 轴子样 + 希格斯样，(2) 经典 + 希格斯样，评估其与 Neff 和哈勃流的兼容性。
• 基于宇宙学一致性条件，推导出希格斯样场在暗物质密度中所占分数的最大上限。
• 采用半经典近似，实现从量子场论到经典场方程的过渡，从而支持宇宙学分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在满足大爆炸核合成（BBN）对 Neff 的约束下，维持一个由经典复标量场与希格斯样或轴子样场组合而成的两组分标量场暗物质模型？
• RQ2 在暗物质领域中，将轴子样场与希格斯样场组合会产生何种宇宙学影响？此类组合是否满足观测约束？
• RQ3 在经典标量场之外引入希格斯样场，会对哈勃参数演化与宇宙距离 ladder 测量产生何种影响？
• RQ4 在与 BBN 和哈勃流数据一致的前提下，两组分暗物质模型中希格斯样场的最大允许占比是多少？
• RQ5 这些多组分模型对暗物质直接探测前景有何影响，特别是对较重标量场的探测？

主要发现

• 轴子样场与希格斯样场的组合无法满足 BBN 对 Neff 的约束，因此该两场配置在暗物质中不可行。
• 经典标量场与希格斯样场的组合仅在希格斯样场占比受严格上限约束时才可行，该上限由宇宙学一致性条件推导得出。
• 为与 Neff 和哈勃流数据保持一致，希格斯样场在总暗物质密度中的最大允许占比被限制在 10% 以下。
• 该模型表明，较重的标量场（如希格斯样场）无法承担全部暗物质密度，从而降低了其在直接探测实验中的探测概率。
• 结果表明，直接探测计划可能需要考虑多组分暗物质情景，因为主要成分可能并非通常所针对的那类。
• 只有当希格斯样组分处于次主导地位时，经典标量场才可作为可行的暗物质候选者，凸显了强烈的参数空间限制。