Limitação de unitaridade na matéria escura em cenários de reaquecimento em baixa temperatura: resumo e conclusão

Tabela de links

• Resumo e introdução
• Matriz S: Unitariedade e suas Consequências
• Aniquilação da matéria escura e limite de unidade
• Reaquecimento a baixa temperatura
• Congelar com reaquecimento em baixa temperatura
• Resumo e conclusão
• Agradecimentos e Referências

6. Resumo e Conclusão

A exigência do comprimento de onda de de Broglie da matéria escura (DM) para mantê-la dentro das galáxias e a estabilidade do aglomerado de galáxias estelares colocam coletivamente uma ampla faixa de massa permitida para DM, fornecendo os limites inferior e superior da massa DM, respectivamente. A especificação de algumas propriedades do DM pode restringir ainda mais a faixa de massa. Curiosamente, pode-se estabelecer o limite superior independente do modelo especificando a produção térmica de DM no universo primitivo. A abundância observada de DM e a unitariedade das ondas parciais da matriz de espalhamento colocam em conjunto um limite superior na massa de DM. Principalmente, os limites superiores da seção transversal inelástica para um processo geral de mudança de número 2 → r podem ser derivados com a ajuda do teorema óptico, dos elementos da matriz e da seção transversal de espalhamento elástico para o processo. Depois disso, pode-se obter a seção transversal média termicamente para o processo r → 2 invocando o princípio do equilíbrio detalhado. Finalmente, os limites unitários na seção transversal média termicamente traduzem-se nos limites superiores da massa DM satisfazendo as restrições de densidade da relíquia. Sabe-se que a massa máxima permitida de MS para os processos de aniquilação 2 → 2 e 3 → 2 DM é em torno de 130 TeV e 1 GeV, respectivamente. Porém, esses limites não dependem apenas do modelo de física de partículas, mas têm uma forte dependência da evolução cosmológica do universo, sendo válidos apenas se o universo seguir o chamado “cenário cosmológico padrão”.

Em vez disso, este artigo explora a massa do DM ligada em configurações cosmológicas não padronizadas caracterizadas por reaquecimento em baixa temperatura. Em particular, nos concentramos em i ) cenários semelhantes aos da cinação, onde o universo primitivo era dominado por um fluido com uma densidade de energia que se dilui mais rapidamente do que a radiação livre, e ii ) cenários primitivos dominados pela matéria, onde um componente com uma densidade de energia que aumenta à medida que a matéria não relativística domina o universo primitivo e eventualmente decai em partículas SM.

Primeiro, estudamos o universo semelhante à cinação, que exige uma seção transversal de aniquilação maior, com média térmica, para saturar a abundância observada de DM em comparação com a imagem padrão dominada pela radiação, uma vez que, neste caso, o congelamento ocorre precocemente. Como resultado, o limite superior da massa da MS torna-se mais rigoroso do que no caso padrão. Por exemplo, se a temperatura de reaquecimento for tão baixa quanto alguns MeVs (correspondendo ao início da época da nucleossíntese do Big Bang), o limite usual da massa DM m ≲ 130 TeV pode ser reduzido para alguns TeVs para WIMPs.

Antes de encerrar, queremos enfatizar que a evolução do universo primitivo é em grande parte desconhecida. A suposição padrão de um universo dominado pela radiação do modelo padrão desde o fim da inflação cosmológica até a igualdade matéria-radiação, juntamente com uma transição de um universo dominado pelo ínflaton para um universo dominado pela radiação ocorrendo em um momento muito antigo, não pode ser tomada como garantido. Tendo isso em mente, estudamos aqui o impacto do limite de unitariedade no DM no caso de cenários de reaquecimento a baixa temperatura.