[论文解读] The origin of dark matter, matter-anti-matter asymmetry, and inflation

Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在超对称（SUSY）模型——特别是MSSM——内的统一框架，用于解释早期宇宙中的暴胀、重子生成和暗物质起源。它表明，暴胀子的衰变可以同时产生正确数量的重子、暗物质（例如中性子）以及热浴条件，其预测可通过CMB、直接/间接暗物质探测和对撞机实验进行检验。

ABSTRACT

A rapid phase of accelerated expansion in the early universe, known as inflation, dilutes all matter except the vacuum induced quantum fluctuations. These are responsible for seeding the initial perturbations in the baryonic matter, the non-baryonic dark matter and the observed temperature anisotropy in the cosmic microwave background (CMB) radiation. To explain the universe observed today, the end of inflation must also excite a thermal bath filled with baryons, an amount of baryon asymmetry, and dark matter. We review the current understanding of inflation, dark matter, mechanisms for generating matter-anti-matter asymmetry, and the prospects for testing them at ground and space based experiments.

研究动机与目标

• 在标准模型之外的单一、可检验的粒子物理框架内，统一解释暴胀、物质-反物质不对称性以及暗物质的起源。
• 识别可行的机制——特别是MSSM中的机制——其中暴胀子衰变为SM粒子，从而产生重子不对称性和暗物质遗迹。
• 将暴胀动力学与可观测的CMB各向异性联系起来，并预测与大爆炸核合成及电弱对称性自发破缺一致的再热温度$T_R$。
• 评估WIMP暗物质候选者（如中性子）的可行性及其在直接、间接和对撞机探测中的前景。
• 评估热与非热暗物质生成的一致性，包括存在Sommerfeld增强和衰变暗物质的场景。

提出的方法

• 利用最小超对称标准模型（MSSM）和超引力（SUGRA）扩展，构建与CMB数据相容的规范不变暴胀势能。
• 应用预加热和再加热的理论形式，从暴胀子相干振荡及其衰变为MSSM自由度中计算再热温度$T_R$。
• 采用热与非热遗迹丰度计算方法，确定WIMP暗物质密度，包括共湮灭和非热生成效应。
• 在SUSY扩展中分析电弱重子生成、热轻子生成和Affleck-Dine机制等重子生成机制。
• 通过伽马射线谱（如Fermi-LAT）、正电子过剩（PAMELA）以及WIMP湮灭可能产生的单色谱线，评估间接探测信号。
• 使用数值工具如GALPROP建模天体物理背景，以区分WIMP信号与常规宇宙射线源。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个基于SUSY的单一模型能否同时解释暴胀、重子生成和观测到的暗物质遗迹密度？
• RQ2 暴胀子的耦合和质量受到何种约束，才能实现成功的再加热以及重子和暗物质的正确遗迹丰度？
• RQ3 非热与热WIMP生成机制如何影响预测的暗物质密度和可探测性？
• RQ4 PAMELA正电子过剩和ATIC电子能谱峰在多大程度上能通过具有Sommerfeld增强的WIMP湮灭来解释？
• RQ5 WIMP暗物质在伽马射线、中微子和直接探测实验中的可观测特征是什么？如何将其与天体物理背景分离？

主要发现

• MSSM为嵌入暴胀提供了可行平台，平坦方向和规范不变的暴胀子能够产生与CMB预测一致的标量扰动。
• 热遗迹丰度计算表明，MSSM中的中性子可通过冻结出机制实现正确的暗物质遗迹密度，其中$\Omega_{\text{DM}} h^2 \approx 0.12$。
• 在MSSM模型中，暴胀后的再热温度$T_R$被约束在$\sim 10^9 - 10^{12}$ GeV之间，与大爆炸核合成及电弱对称性自发破缺一致。
• PAMELA正电子过剩和ATIC电子能谱峰在未进行精细调谐的情况下无法被WIMPs完全解释，但可能由附近脉冲星（如Monogem和Geminga）解释。
• 为使500–900 GeV的WIMP解释该过剩，其湮灭截面$\langle\sigma v\rangle \sim 10^{-24}~{\rm cm^2}$需具有Sommerfeld增强，暗示存在轻子偏好或轻玻色子介导的相互作用。
• Fermi-LAT尚未在银心观测到伽马射线线信号，对WIMP湮灭至$\gamma\gamma$或$\gamma Z$末态施加了严格的上限。