Унитарность, связанная с темной материей в сценариях низкотемпературного разогрева: итоги и выводы

Таблица ссылок

• Аннотация и введение
• S-матрица: унитарность и ее последствия
• Аннигиляция темной материи и граница унитарности
• Низкотемпературный подогрев
• Заморозка с низкотемпературным повторным нагревом
• Резюме и заключение
• Благодарности и ссылки

6. Резюме и заключение

Требование длины волны де Бройля темной материи (DM) для удержания ее внутри галактик и стабильность звездного скопления галактик в совокупности определяют широкий разрешенный диапазон масс ТМ, обеспечивая нижнюю и верхнюю границу массы ТМ соответственно. Указание некоторых свойств DM может еще больше сузить диапазон масс. Интересно, что можно установить независимую от модели верхнюю границу, указав тепловое образование ТМ в ранней Вселенной. Наблюдаемое содержание ТМ и унитарность парциальных волн матрицы рассеяния вместе устанавливают верхний предел массы ТМ. Прежде всего, верхние пределы неупругого сечения для общего процесса изменения чисел 2 → r можно получить с помощью оптической теоремы, матричных элементов и сечения упругого рассеяния для процесса. После этого можно получить термически усредненное сечение процесса r → 2, воспользовавшись принципом детального баланса. Наконец, границы унитарности термически усредненного сечения переходят в верхние пределы массы ТМ, удовлетворяющие ограничениям реликтовой плотности. Известно, что максимально разрешенная масса ТМ для процессов аннигиляции ТМ 2 → 2 и 3 → 2 составляет около 130 ТэВ и 1 ГэВ соответственно. Однако эти границы не только зависят от модели физики элементарных частиц, но и сильно зависят от космологической эволюции Вселенной, будучи действительными только в том случае, если Вселенная следовала так называемому «стандартному космологическому сценарию».

Вместо этого в этой статье исследуется связанная масса ТМ в нестандартных космологических установках, характеризующихся низкотемпературным повторным нагревом. В частности, мы фокусируемся на i ) сценариях, подобных кинированию, где в ранней Вселенной доминировала жидкость с плотностью энергии, которая разбавляется быстрее, чем свободное излучение, и ii ) ранние сценарии с доминированием материи, где компонент с плотностью энергии которая масштабируется по мере того, как нерелятивистская материя доминирует в ранней Вселенной и в конечном итоге распадается на частицы SM.

Во-первых, мы изучаем киноподобную Вселенную, которая требует большего термически усредненного сечения аннигиляции для насыщения наблюдаемого содержания ТМ по сравнению со стандартной картиной с доминированием радиации, поскольку в этом случае вымораживание происходит раньше. В результате верхняя граница массы ТМ становится более жесткой, чем в стандартном случае. Например, если температура повторного нагрева составляет всего несколько МэВ (что соответствует началу эпохи нуклеосинтеза Большого взрыва), обычная граница массы ТМ m ≲ 130 ТэВ может быть уменьшена до нескольких ТэВ для вимпов.

Прежде чем закончить, мы хотим подчеркнуть, что эволюция ранней Вселенной в значительной степени неизвестна. Стандартное предположение о том, что во Вселенной доминирует излучение стандартной модели с момента окончания космологической инфляции до достижения равенства материи и излучения, а также переход от Вселенной с доминированием инфлатона к Вселенной с доминированием излучения, происходящий в очень ранние времена, не может быть принято за предоставленный. Имея это в виду, здесь мы изучили влияние унитарности, связанной с DM, в случае сценариев низкотемпературного повторного нагрева.