非热WIMP奇迹

WIMP范式：主题与变奏

The WIMP Paradigm: Theme and Variations

该讲义围绕暗物质候选者WIMPs展开，介绍其研究动机、基本特征与探测方法，并探讨WIMP范式的衍生研究方向，展现该领域的丰富研究内涵。

暴胀引力波与WIMP暗物质在脉冲星计时阵列数据中的印记

Imprint of inflationary gravitational waves and WIMP dark matter in pulsar timing array data

本研究探讨在“无奇迹WIMP”暗物质情景下，利用暴胀蓝移引力波解释脉冲星计时阵列信号，通过晚期熵稀释解决暗物质过度产生与宇宙学观测冲突，并拟合NANOGrav数据。

WIMP Cogenesis for Asymmetric Dark Matter and the Baryon Asymmetry

We propose a new mechanism where asymmetric dark matter (ADM) and the baryon asymmetry are both generated in the same decay chain of a metastable weakly interacting massive particle (WIMP) after its thermal freeze-out. Dark matter and baryons are connected by a generalized baryon number that is conserved, while the DM asymmetry and baryon asymmetry compensate each other. This unified framework addresses the DM-baryon coincidence while inheriting the merit of the conventional WIMP miracle in predicting relic abundances of matter. Examples of renormalizable models realizing this scenario are pre…

具有辐射驱动自然性的超对称性：对WIMP和轴子搜索的影响

Supersymmetry with radiatively-driven naturalness: implications for WIMP and axion searches

通过坚持MSSM的电弱和QCD部分的自然性，暗物质产生的图像与通常的WIMP奇迹图像相比有了很大的改变。在具有辐射驱动自然性的超对称模型（辐射自然超对称模型或RNS）中，其中包括对强CP和超对称μ问题的DFSZ类解决方案，暗物质预计将是轴子和希格斯诺类WIMP的混合物。WIMP/轴子丰度计算需要同时求解一组描述准稳定轴子和轴子的耦合玻尔兹曼方程。在大多数的参数空间，轴子弥补了占主导地位的贡献的暗物质，虽然地区的WIMP优势也发生。我们给出了PQ标度f_a的允许范围，并与ADMX轴子探测器在不久的将来预期探测的值进行了比较。我们还显示了WIMP的检测率，这是抑制从通常的期望，因为现在WIMP只包括一小部分的总暗物质。尽管如此，吨级稀有液体探测器应该能够探测整个RNS参数空间。间接的WIMP检测率是不太有利的，因为它们是由耗尽的WIMP丰度的平方减少。

TASI 2012年暗物质天体物理探测讲座

TASI 2012 Lectures on Astrophysical Probes of Dark Matter

早期宇宙中的暗物质是如何产生的，与我们今天如何探测到它之间有什么联系？WIMP奇迹从何而来，它真的是一个“WIMP”奇迹吗？热遗迹的质量范围是多少？<σv>从何而来，又是什么意思？化学退耦和动力学退耦有什么区别？为什么有些人认为暗物质不可能轻于40 GeV？为什么b \bar b是一个如此受欢迎的湮灭终态？为什么反物质是寻找暗物质的好方法？为什么宇宙射线正电子分数应该随着能量而下降，而为什么不呢？如何计算天体中暗物质湮灭产生的中微子通量？什么时候中微子通量与暗物质对湮灭率无关？暗物质如何产生光子？阅读这些课堂笔记，做建议的10个练习，你会找到所有这些问题的答案（以及更多你一直想知道但又不敢问的关于暗物质的问题）。

WIMP暗物质与等级问题之间的新联系

A new connection between WIMP dark matter and the hierarchy problem

本文提出WIMP暗物质质量与希格斯玻色子质量之间的临界联系，通过新物理机制解释暗物质的热 relic 丰度和真空稳定性。

Co-SIMP Miracle

We present a new mechanism for thermally produced dark matter, based on a semi-annihilation-like process, $χ+ χ+\text{SM} \rightarrow χ+ \text{SM}$, with intriguing consequences for the properties of dark matter. First, its mass is low, $\lesssim 1$ GeV (but $\gtrsim 5$ keV to avoid structure-formation constraints). Second, it is strongly interacting, leading to kinetic equilibrium between the dark and visible sectors, avoiding the structure-formation problems of $χ+ χ+ χ\rightarrow χ+ χ$ models. Third, in the $3 \rightarrow 2$ process, one dark matter particle is consumed, giving the standard…

来自没有新质量参数的AMSB隐藏扇区的无WIMP暗物质

WIMPless Dark Matter from an AMSB Hidden Sector with No New Mass Parameters

我们提出了一个模型，其中暗物质处于反常介导的超对称性破缺的U（1）xU（1）规范对称性的隐藏扇区中。模型的对称性稳定了暗物质，并禁止引入新的质量参数。因此，热遗迹密度完全由引力子质量和无量纲耦合决定。假设非分层耦合，热遗迹密度约为0.1，与暗物质的质量和相互作用强度无关，实现了无WIMP的奇迹。这个模型有几个显著的特点。对于粒子物理学来说，暗物质的稳定性与可见光区的R宇称破坏完全一致，这意味着超伴体对撞机的签名;此外，热遗迹的质量可能是~ 10 GeV或更轻，这是最近直接探测结果的兴趣。有趣的天体物理特征是暗物质通过长程力的自相互作用，以及无质量的隐藏光子和费米子，它们对BBN和CMB的相对论自由度的数量有贡献。后者特别有趣，考虑到目前额外自由度的迹象和普朗克天文台不久的将来的结果。

WIMP 与 ALP：暗物质的相干冻结

WIMP Meets ALP: Coherent Freeze-Out of Dark Matter

本文研究了WIMP与ALP通过二次耦合相互作用的宇宙学历史，发现相干前向散射导致温度依赖的质量移位，改变了WIMP冻结和ALP不对称动态，提出了一种新的相干冻结机制。强温度下，WIMP热浴自发打破ALP势能对称性，使场移至新真空，从而降低WIMP有效质量并延迟其冻结。根据耦合强度，对称性恢复通过一级相变或交叉。在一级相变中，暗物质仅由WIMP组成，其延迟冻结允许湮灭截面比标准值高三个数量级，但仍产生正确 relic 密度。在交叉中，WIMP和ALP均可贡献暗物质。发现ALP奇迹：Planck 抑制的二次耦合使ALP丰度与观测暗物质密度相当，与初始位移和质量无关。

在幂律$f(R)$引力中作为热、暖、冷暗物质的热遗迹

Thermal relics as hot, warm and cold dark matter in power-law $f(R)$ gravity

研究了热遗迹作为热、暖、冷暗物质在$\mathscr{L}=\varepsilon^{2-2β}R^β+{16π}m_{\text{Pl}}^{-2}\mathscr{L}_m$引力场中的演化，其中$\varepsilon$是平衡场方程维数的常数，$1<β<(4+\sqrt{6})/5$表示能量密度和温度的正性.如果轻中微子作为热/暖遗迹，那么冻结时统计自由度的熵数$g_{*s}$和预测的分数能量密度$Ω_ψh^2$都依赖于$β-$，这使标准质量束缚$Σm_ν$松弛。对于冷遗迹，通过精确求解相对论和非相对论两种情况下的简化Boltzmann方程，我们证明了重中微子质量的Lee-Weinberg束缚可以得到相当大的放松，弱相互作用大质量粒子（WIMP）的“WIMP奇迹”随着$β$偏离$β=1^+$而逐渐失效.整个框架在极限$β\to 1^+$下简化为GR的框架。

Z-portal Continuum Dark Matter

We examine the possibility that dark matter (DM) consists of a gapped continuum, rather than ordinary particles. A Weakly-Interacting Continuum (WIC) model, coupled to the Standard Model via a Z-portal, provides an explicit realization of this idea. The thermal DM relic density in this model is naturally consistent with observations, providing a continuum counterpart of the "WIMP miracle". Direct detection cross sections are strongly suppressed compared to ordinary Z-portal WIMP, thanks to a unique effect of the continuum kinematics. Continuum DM states decay throughout the history of the univ…

非热WIMP重子生成

Non-thermal WIMP baryogenesis

我们提出了一种通过重粒子衰变产生的非热产生的WIMP的湮灭实现的WIMP重子化，这可以导致低的再加热温度。暗物质（DM）可以在长寿命重粒子衰变产生的再加热期间以非热的方式产生，并且随后甚至在热冻结之后再湮灭为较轻的粒子。DM的再湮灭提供了所观察到的重子不对称性以及DM的正确残余密度。我们调查如何wahout效应可以影响重子不对称性的产生，并研究一个模型抑制它们。在这种情况下，我们发现DM可以足够重，它的湮灭截面也可以比通常的热WIMP重子生成所采用的更大。

ALP奇迹：统一的暴胀子和暗物质

The ALP miracle: unified inflaton and dark matter

我们提出了一个方案，其中通货膨胀和暗物质描述的一个单一的轴子类粒子（ALP）在一个统一的方式。在一类最小轴子山顶暴胀中，最大和最小势能点的有效质量大小相等，但符号相反，因此ALP暴胀子在暴胀和真真空中都很轻。在暴胀之后，大部分的ALP通过与光子的耦合而衰变并蒸发成等离子体，而剩余的则成为暗物质。我们发现，所观察到的CMB和物质的功率谱以及暗物质丰度指向ALP的质量$m_ϕ= {\cal O}(0.01)$ eV和轴子-光子耦合$g_{ϕγγ} ={\cal O}(10^{-11})$ GeV $^{-1}$：ALP奇迹。建议的参数区域是在下一代轴子日光镜，IAO的范围内。此外，热化的ALP有助于热暗物质和它的丰度给出的额外的中微子物种，$ΔN_{\rm eff} \simeq 0.03$的有效数量，这可以通过未来的CMB实验进行测试。我们还讨论了多个ALP的情况下，在早期宇宙中，光子的耦合可以增强一个数量级或更多，这扩大了ALP奇迹的参数空间。重ALP在混合暴胀中扮演瀑布场的角色，并重新加热宇宙，它可以在SHiP等各种实验中找到。

作为暗辐射的非热WIMP

Non-thermal WIMPs as Dark Radiation

人们一直认为，只有轻的物质才能表现为辐射，并解释了普朗克望远镜、WMAP9望远镜、南极望远镜和ATACAMA望远镜最近观测到的暗辐射。在这项工作中，我们将表明，GeV尺度的WIMP可以解释暗辐射以及。如果重WIMP的一部分在热冻结后以非热方式产生，则它们可能会模拟半中微子物质的效应。此外，我们将展示如何BBN，CMB和结构形成的界限可能被规避。

早期宇宙中暗物质的产生：热WIMP范例之外

Dark matter production in the early Universe: beyond the thermal WIMP paradigm

LHC对新物理的搜索越来越严格，加上在暗物质搜索中缺乏令人信服的弱相互作用大质量粒子（WIMP）信号，这些都严格限制了许多将热产生的WIMP作为冷暗物质的标准范例的实现。在这篇文章中，我们更一般地审查热和非热产生的暗物质（DM）。人们可以将DM模型分为两大类：一类涉及玻色子相干运动（bosonic coherent motion，WIMP），另一类涉及WIMP。WIMP和WIMP候选者分别需要一些近似的全局对称性和几乎精确的离散对称性。超对称轴子模型是高度动机，因为他们出现了令人信服的和优雅的解决方案的两个微调问题的标准模型：强CP问题和规范层次问题。我们在这里审查非热文物的一般设置，但我们也特别注意到丰富的宇宙学性质的各个方面的混合超对称性/轴子暗物质候选人，可以涉及两个弱相互作用大质量粒子和中微子在交织的方式。我们还简要回顾了一整套替代热和非热DM候选人。

冻结精确理论

Exact theory of freeze out

我们表明，热生产和化学解耦的WIMP的标准理论是不完整的。WIMP产生并与热浴解耦的假设意味着浴粒子与WIMP相互作用的速率方程是一个代数方程，其约束实际WIMP丰度具有精确的解析形式，直到温度$x_\ast=m_χ/T_\ast$。与量$Δ= Y-Y_0$的方程的稳定点重合的点$x_\ast$是达到WIMP丰度$Y$与热值$Y_0$的最大偏离的地方。对于每个质量$m_χ$和全湮灭截面$\langle σ_\text{ann}v_\text{r}\rangle$，温度$x_\ast$和实际WIMP丰度$Y(x_\ast)$是精确已知的。该值为必须在区间$x\ge x_\ast$中积分的通常微分方程提供了真实的初始条件。在$x_\ast$上两个丰度的匹配是连续的和可微的。目前残留丰度对中温丰度的依赖性是一个精确的结果。精确理论提出了一种新的解析近似，在$S$ -波和$P$ -波散射截面的情况下，在$1\%-2\%$水平上精确地计算遗迹丰度。最后，我们用非平衡态热力学的方法研究了WIMPs化学势和熵产生的演化。

热WIMP质量和湮灭截面的CMB约束

CMB Constraints On The Thermal WIMP Mass And Annihilation Cross Section

热遗迹，通常被称为弱相互作用大质量粒子（WIMP），是在宇宙早期演化过程中产生的粒子，其现在（遗迹）的丰度仅取决于它的质量和它的热平均湮灭截面（湮灭率因子）σ vann。目前的观测限制，不存在这种影响提供了边界的质量和湮灭截面的遗迹粒子，可能，但不一定是暗物质的候选人。对于暗物质候选者WIMP，CMB约束为湮灭截面设定了一个上限，导致其质量的下限取决于WIMP是否是其自身的反粒子。对于自共轭WIMP，m_min = 50fGeV，其中f是电磁能量效率因子。对于非自共轭的WIMP，最小质量是两倍大。对于暗物质密度的次主导分量WIMP，其质量没有约束，并且由CMB施加的湮灭截面的上限转变为湮灭截面的下限。这些结果概述和量化这里使用最新的CMB约束的稳定，对称（粒子和反粒子的数量相等），WIMP的湮灭是s波为主，和粒子，或不是，自己的反粒子。

ATACAMA、SPT、WMAP9和Planck理论下的非热WIMP“暗辐射”

Non-thermal WIMPs as "Dark Radiation" in Light of ATACAMA, SPT, WMAP9 and Planck

普朗克和WMAP 9卫星以及ATACAMA和南极望远镜最近提供了关于喜剧微波背景角功率谱的结果。数据初步表明，在早期宇宙中存在额外的辐射成分。在这里，我们表明，这个额外的组件可以模仿普通的WIMP暗物质粒子的大部分是冷的，但与一小部分是非热产生的相对论状态。我们提出了几个例子的理论，这种情况下，明确实现，并探讨相关的参数空间与BBN，CMB和结构形成界限一致。

非热WIMP与原初黑洞

Non-thermal WIMPs and Primordial Black Holes

早期宇宙的非热历史受到了显著的关注，因为它们是现象学的丰富来源，同时也受到自上而下超越标准模型物理学的方法的很好的激励。早期（前BBN）在这些模型中的物质阶段导致增强增长的密度扰动子哈勃尺度。在这里，我们考虑是否原始黑洞的形成与增强的增长是在现有的意见相冲突。这样的约束依赖于原始功率谱的倾斜，我们发现，非热历史的情况下，显着的蓝色光谱的严格约束。或者，如果暗物质被认为是非热起源的，我们可以限制原始功率谱的尺度无法达到CMB和LSS的观测。我们建立了一个广泛的标量质量（再热温度）的约束条件与最严格的界限所造成的形成$10^{15}$ g黑洞。这些黑洞今天可能正在蒸发，并受到费米观测的限制。我们还考虑是否崩溃的相干性的标量振荡的子视界尺度上可以导致一个让的压力，防止黑洞的形成和放松我们的约束。我们的主要结论是，原始黑洞的限制，结合现有的非热WIMP的限制，有利于原始光谱更接近标度不变性或红色倾斜的光谱。

电弱相变产生的非热暗物质：Multi-TeV WIMP和“Baby-Zillas”

Non-thermal Dark Matter Production from the Electroweak Phase Transition: Multi-TeV WIMPs and "Baby-Zillas"

一阶电弱相变结束时的粒子产生在标准模型之外的理论中可能是相当普遍的。如果暗物质与希格斯场有相当大的耦合，那么它就可能通过这种机制大量产生。对于温度T_EW ~ 50-100 GeV的电弱相变，质量M_X > TeV的非热生成暗物质将在相变后的热化中幸存下来，然后可以潜在地解释在热暗物质成分太小或不存在的情况下观察到的暗物质遗迹密度。在这些情况下，暗物质可能是多TeV的WIMP，其残余丰度主要产生于电弱相变，或者是质量M_GUT >> M_X >> v_EW的“Baby-Zillas”，在早期宇宙中从未达到热平衡。

GeV-Scale热WIMP：甚至没有轻微死亡

GeV-Scale Thermal WIMPs: Not Even Slightly Dead

弱相互作用大质量粒子（WIMP）长期以来一直是暗物质候选者的主要类别之一。观测到的暗物质丰度可以通过早期宇宙中弱尺度暗物质湮灭的冻结而自然获得。这种“热WIMP”方案直接预测了可以在当今实验中测试的总湮灭截面。虽然暗物质的质量约束可以高达$m_χ\gtrsim100$ GeV的特定湮灭通道，总的截面的约束尚未确定。我们构造的第一个模型独立的限制WIMP的总湮灭截面，显示允许的组合的湮灭通道分支比大大削弱了灵敏度。对于s波$2\rightarrow2$湮灭到可见终态的热WIMP，我们发现暗物质质量仅为$m_χ\gtrsim20$ GeV。这是热遗迹WIMP质量的最强的基本上与模型无关的下限，与么正性界的质量上限（$m_χ\lesssim 100$ TeV）一起，它定义了我们所说的“WIMP窗口”。为了探索剩余的质量范围，我们概述了前进的道路。

WIMP重子发生机制研究进展

A Review of WIMP Baryogenesis Mechanisms

最近有人提出，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可能提供新的方法来产生早期宇宙中观察到的重子不对称性，以及解决暗物质和重子丰度之间的宇宙巧合。这表明弱尺度新粒子物理学和现代宇宙学之间可能存在新的联系。本文综述了最近提出的两种WIMP重子生成机制：热冻结过程中WIMP暗物质湮灭的重子生成机制和热冻结后WIMP亚稳衰变的重子生成机制。这封信还讨论了这些模型的有趣现象，特别是可以在强度前沿实验和大型强子对撞机（LHC）实验中探测的实验信号。

类WIMP暗物质无需冻结时热化

WIMP-like Dark Matter Without Thermalization At Freeze-Out

该研究探讨了在冻结时无需热化的隐藏扇区模型中，如何通过极小的耦合实现与观测相符的暗物质 relic 密度，从而推翻传统热 relic 情况下的交叉截面假设。

在烧成过程中WIMP的（非）热产生

(Non-)thermal production of WIMPs during kination

了解暗物质的本质是现代天体物理学和宇宙学面临的挑战之一。了解DM粒子的性质将有助于我们了解标准模型之外的物理学，甚至为我们提供早期宇宙的细节。事实上，探测到这样的遗迹将为我们带来大爆炸核合成（BBN）前时期的信息，这是一个我们没有数据的时代，甚至可能暗示暴胀物理学。在这项工作中，我们假设宇宙膨胀后的膨胀率是由一个标量场$ϕ$的动能，在所谓的“kination”模型。我们假设$ϕ$场衰变为辐射和DM粒子，我们将其视为弱相互作用大质量粒子（WIMPs）。然后，通过热“冻出”或“冻入”机制，或通过由$ϕ$的衰变控制的非热过程，在活化期间固定WIMP的当前丰度。我们探索这个理论的参数空间的要求，目前的WIMP丰度提供正确的DM遗迹预算。要求BBN发生在标准的宇宙学场景中，这就对点燃期结束的温度设定了限制。使用这个限制，并假设WIMP有一个质量$m_χ= 100\,$ GeV，我们得到的热平均WIMP湮灭截面必须满足的约束$4 \times 10^{-16}{\rm \,GeV^{-2}} \lesssim \langleσv\rangle \lesssim 2\times 10^{-5} {\rm \,GeV^{-2}}$，以便有至少一个的生产机制，以产生所观察到的DM量。这一结果显示了WIMP粒子的性质，如果被测量的话，可以产生关于宇宙前BBN含量的信息。

对WIMP湮没的增强单圈修正及其共湮没区的热残余密度

Enhanced One-Loop Corrections to WIMP Annihilation and their Thermal Relic Density in the Coannihilation Region

我们考虑了由于初始态中光玻色子交换引起的弱相互作用大质量粒子（WIMPs）共湮灭过程的量子修正（“索末菲修正”）。我们在单循环水平上工作，即我们假设这些校正可以微扰地处理。如果至少有一个质量接近最轻的WIMP的新粒子，这是一个暗物质候选者，那么共湮灭是很重要的。在这种情况下，初始状态下（相对较轻的）玻色子的交换可以改变湮灭粒子的身份。我们感兴趣的修正因式分解，在WIMP自湮没的情况下，前面处理，但它们可以混合不同的树级振幅。此外，即使外部粒子和环中粒子之间的质量分裂很小，也会显著改变相关的环功能。我们发现这些功能的精确解析表达式，并说明考虑的情况下，作为例子的wino或希格西诺类中性伴子的效果。

非热WIMP图

A map of the non-thermal WIMP

本文研究了重粒子在再加热结束时直接衰变产生的非热WIMP中的弹性散射效应。当再加热温度远低于冻结温度时，非热WIMP变得重要。通常，考虑两种极限情况。一种是产生的高能暗物质粒子由于与背景辐射的弹性散射而迅速热化。相应的残余丰度由再加热温度下的热平均湮灭截面确定。另一个是初始丰度太小，暗物质无法湮灭，因此最终的遗迹由初始量本身决定。我们研究了这两个极限之间的区域，并表明遗物密度不仅取决于湮灭率，但也对弹性散射率。特别是p波湮灭暗物质的残余丰度主要依赖于弹性散射率，因为湮灭截面对暗物质速度敏感。我们将参数空间分为几个区域，每个区域都有不同的机制来确定当前宇宙中暗物质的遗迹丰度。研究了直接检测的影响。

WIMP/FIMP暗物质与具有记忆负担效应的原初黑洞

WIMP/FIMP dark matter and primordial black holes with memory burden effect

研究通过记忆负担效应延长原初黑洞寿命，探讨WIMP/FIMP作为暗物质候选者的可行性，提出DM粒子不热化条件及总暗物质丰度计算方法。

暗物质是惰性物，或FIMPy，或WIMPy或UFOy：一种暴胀引力粒子产生

Dark matters are Inert, or FIMPy, or WIMPy or UFOy: An inflationary gravitational particle production

本文研究了暴胀引力粒子产生对暗物质物理的影响，分析了四种不同类型的暗物质行为，扩展了可行参数空间并保持与现有约束一致。

超重暗物质通过希格斯门算子

Superheavy dark matter through Higgs portal operators

WIMPzilla假说认为暗物质是一种超弱相互作用的超重粒子。传统上，WIMPzilla丰度由暴胀期间或结束时的引力粒子产生决定。在这项研究中，我们允许WIMPzilla通过希格斯门直接与标准模型场相互作用，并且我们计算了等离子体中希格斯玻色子对湮灭产生的WIMPzilla暗物质的热产生（冻结）。两个粒子物理模型参数是WIMPzilla质量和Higgs-WIMPzilla耦合。这两个宇宙学参数是再加热温度和膨胀结束时宇宙的膨胀率。我们划定的区域的参数空间，无论是重力或热生产占主导地位，在这些地区内，我们确定的参数，预测所观察到的暗物质遗迹丰度。允许热产生打开了参数空间，即使是普朗克抑制的希格斯-WIMPzilla相互作用。

暖WIMP暗物质湮灭产生的γ射线

Gamma-rays From Warm WIMP Dark Matter Annihilation

弱相互作用大质量粒子（WIMP）通常作为冷暗物质的候选者，然而当它以非热的方式产生时，它的行为就像温暖的暗物质。在本文中，我们研究的$γ$射线的性质，从湮灭的WIMP暗物质在我们自己的银河系晕的高分辨率$N$体模拟的银河系暗物质晕，假设不同的性质的WIMP。由于大的自由流长度在温暖的WIMP的情况下，暗物质晕的子结构内容是显着不同的冷WIMP对应物，导致不同的预测$γ$射线信号从暗物质湮灭。我们通过比较预测的$γ$ -射线信号从温暖的WIMP湮灭的冷WIMP来说明这些。显着的差异，从subhalo的天空图和两个WIMP模型之间的统计特性进行了演示。由于暖WIMP情景下非热产生机制的潜在增强截面，银河系中心可能是间接探测暖WIMP到矮星系的优先点，这可能不同于冷暗物质情景。作为一个具体的例子，我们考虑了超对称模型中的非热产生中性伴子，并讨论了用费米$γ$射线望远镜探测温WIMP的可能性。

暗物质、共享不对称性和银河系Gamma Ray信号

Dark Matter, Shared Asymmetries, and Galactic Gamma Ray Signals

我们介绍了一个新的暗物质的情况下，可见部门和暗部门共享一个共同的不对称性。这两个扇区通过一个重子数为1的不稳定中介体连接，允许标准模型重子不对称性通过半湮灭与暗物质共享。现在的暗物质丰度是由这种半湮灭过程的热冻结决定的，产生了WIMP奇迹的不对称版本，以及间接探测实验的有希望的信号。作为一个概念的证明，我们发现一个可行的参数空间区域与观测到的费米多余的GeV伽马射线从银河系中心一致。

Perturbative Resonance in WIMP paradigm and its Cosmological Implications on Cosmic Reheating and Primordial Gravitational Wave Detection

We investigate the co-evolution of dark matter (DM) density perturbation and metric perturbation in the WIMP paradigm. Instead of adopting the conventional assumption that DM starts out in thermal equilibrium, we propose a simple phase of DM production for the WIMP paradigm and extend our analysis to this phase. Being free from the envelop of thermal equilibrium, an amplified perturbative resonance between DM density perturbation and scalar modes of metric perturbation takes place during the DM production phase, and consequently results in a suppression of the tensor-to-scalar ratio of metric …

WIMPs during Reheating

Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best-motivated dark matter candidates. In the standard scenario where the freeze-out occurs well after the end of inflationary reheating, they are in tension with the severe experimental constraints. Here, we investigate the thermal freeze-out of WIMPs occurring {\it during} reheating, while the inflaton $ϕ$ coherently oscillates in a generic potential $\propto ϕ^n$. Depending on the value of $n$ and the spin of the inflaton decaying products, the evolution of the radiation and inflaton energy densities can show distinct features, ther…

从WIMP获取THUMP

Getting a THUMP from a WIMP

制造质量为$\gg 10^2$ TeV的暗物质的可接受的热遗迹丰度是一个挑战。我们提出了一种新的机制，GeV尺度的国家建立了一个微小的热遗迹丰富的暗物质，这是后来推动超大质量的状态非常轻的标量。我们把这种暗物质称为热超质量粒子（THUMP）。由于将THUMP耦合到标准模型的低质量状态所介导的大散射截面，可以自然地预期THUMP的直接检测。我们的模型一般导致相关的GeV级的状态在加速器实验的信号。

具有来自弱相互作用不稳定伙伴粒子增强湮灭的WIMP

WIMPs with Enhanced Annihilation from a Feebly Interacting Unstable Partner

本研究提出WIMP与可衰变的重伙伴粒子耦合的扩展模型，通过求解玻尔兹曼方程发现伙伴粒子衰变可显著增强WIMP湮灭截面（最高达三个数量级），并可由间接探测实验检验，NMSSM可实现该情景。

精确遗迹WIMP的发现及其对暗物质湮灭的影响

Precise Relic WIMP Abundance and its Impact on Searches for Dark Matter Annihilation

如果暗物质（DM）是一种弱相互作用大质量粒子（WIMP），是早期宇宙的热遗迹，那么它的总自湮灭截面可以通过它现在的质量密度来揭示。一般的WIMP的正则热平均截面通常表示为3*10^-26 cm ^3 s ^-1，不确定性没有具体说明，并且被认为与WIMP的质量无关。最近对DM湮没产物的搜索已经达到了排除100%分支比的正则截面的灵敏度，以确定最终状态和小WIMP质量。最终目标是探测所有运动学上允许的最终状态作为质量的函数，如果所有状态都被充分排除，则为WIMP质量设置下限。由于最近在直接和间接搜索中对轻WIMP的暗示，探测低质量区域的动机进一步增强。我们重新审视了一个通用的WIMP的热遗迹丰度计算，并表明所需的截面可以精确计算。当质量低于10 GeV时，它随质量变化很大，在质量约为0.3 GeV时达到最大值5.2*10^-26 cm ^3 s ^-1，当质量高于10 GeV时，它为2.2*10^-26 cm ^3 s ^-1，质量依赖性很弱。这些结果，显着不同的典型值，并没有考虑到在搜索湮灭产品从通用WIMPs，有一个显着的影响，从费米-LAT和WMAP+ACT目前的限制的解释。

弹跳宇宙学中暗物质的热涨落

Thermal Fluctuations of Dark Matter in Bouncing Cosmology

我们研究了在弹跳宇宙学中产生的暗物质粒子的统计性质，特别是其热涨落的演化。通过对超视界模运动方程的显式推导和求解，我们完全确定了一般弹跳背景下暗物质的热扰动演化。我们还证明了超视界模的演化是稳定的，不会破坏一般的弹跳宇宙的背景演化，直到普朗克尺度。在标准暴胀场景中，如WIMP（-less）奇迹，暗物质的超视界热扰动并不存在，而在一般的弹跳宇宙场景中，这种暗物质的超视界热扰动对于检验和区分这两种场景具有重要意义。

$Υ$衰变为轻标量暗物质

$Υ$ Decays into Light Scalar Dark Matter

假设暗物质是由于重自由度的交换而产生的，我们研究了自旋为1的底鎓衰变为一对轻标量暗物质（DM）粒子。我们进行了独立于模型的分析，并推导出这些衰变的分支比的公式。我们将计算结果与实验数据进行了比较。我们表明，所考虑的分支比是在目前的BaBaR实验灵敏度的范围内。因此，暗物质的生产在Upperdum衰变导致约束的各种模型的参数包含一个轻自旋0 DM粒子。我们说明了这一点的模型与“WIMP无奇迹”，特别是规范介导的超对称性打破的情况下，与自旋0 DM粒子在隐藏的部门。考虑的另一个例子是具有标量DM粒子的II型2HDM。

超弱相互作用与暗物质的冻结产生

Interplay of super-WIMP and freeze-in production of dark matter

非热化的暗物质是宇宙学上有效的替代弱相互作用大质量粒子的范例。对于暗物质属于$Z_2$ -奇数扇区，其中还包含一个热化介质粒子，暗物质的产生一般通过冻结和superWIMP机制进行。我们强调它们之间的相互作用，并强调在对撞机的长寿粒子的连接。对于一个显式的例子，有色的t-通道介质模型，我们映射出整个可访问的参数空间，角落的界限从大型强子对撞机，大爆炸核合成和莱曼α森林观测，分别。我们讨论了HL-和HE-LHC的前景。

Updated constraints on WIMP dark matter by radio observations of M31 -- all annihilation channels

The present work derived the robust constraints on annihilating WIMP parameters utilizing new radio observations of M31, as well as new studies of its DM distribution and other properties. The characteristics of emission due to DM annihilation were computed in the frame of 2D galactic model employing GALPROP code adapted specifically for M31. This enabled us to refine various inaccuracies of previous studies on the subject. DM constraints were obtained for all possible annihilation channels except $χχ\rightarrow γγ,ν\barν$. A wide variety of radio data was utilized in the frequency range $\app…

用温度依赖耦合复活WIMP暗物质

Reviving WIMP dark matter with temperature-dependent couplings

本文提出了一种新的WIMP暗物质模型，通过温度依赖的耦合机制解决暗物质直接探测实验中未观测到信号的问题，该模型通过高能标下的标量场真空期望值产生有效暗物质-标准模型相互作用，从而生成所需的热 relic，同时在低温下通过相变抑制相互作用，符合直接探测实验的无信号结果。

非WIMP候选人

Non-WIMP Candidates

非WIMP暗物质候选者包括由极小性激发的粒子，由实验异常激发的候选者，以及主要由聪明的反传统者的愿望激发的奇异可能性，以突出我们对暗物质的本质是多么的无知。在这篇评论中，我讨论的候选人不是WIMP，但仍然分享相同的理论动机作为WIMP，也自然有正确的遗物密度。有两个类：超级弱相互作用暗物质，其中所需的遗迹密度通过衰变继承;无弱相互作用暗物质，其中暗物质的质量和耦合一起缩放以维持所需的热遗迹密度。

WIMPs Without Weakness: Generalized Mass Window with Entropy Injection

We study general freeze-out scenarios where an arbitrary number of initial and final dark matter particles participate in the number-changing freeze-out interaction. We consider a simple sector with two particle species undergoing such a thermal freeze-out; one of the relics is stable and gives rise to the dark matter today, while the other one decays to the Standard Model, injecting significant entropy into the thermal bath that dilutes the dark matter abundance. We show that this setup can lead to a stable relic population that reproduces the observed dark matter abundance without requiring …

具有GUTs的WIMP：暗物质与较轻物质的共湮灭

WIMPs with GUTs: Dark Matter Coannihilation with a Lighter Species

提出了一种新的超重暗物质热冻结机制。暗物质与较轻的不稳定物质共湮灭，导致湮灭率相对于标准WIMP呈指数级增强。这种情况使任何潜在的暗物质候选者都不稳定。为了与天体物理观测保持一致，我们的提议需要非常长的寿命状态，激发了与超重暗物质晚期衰变相关的惊人现象学，可能与大统一理论的尺度$M_\text{GUT} \sim 10^{16}$ GeV一样大。

反常介导超对称破缺中的无WIMP暗物质与隐藏的QED

WIMPless Dark Matter in Anomaly-Mediated Supersymmetry Breaking with Hidden QED

在反常介导的超对称破缺中，隐藏扇区中的超伴子的质量与耦合的平方成正比，因此自然地冻结出所需的暗物质遗迹密度，以获得大范围的质量。我们提出了一个非常简单的实现这种可能性，与WIMP无暗物质产生于一个隐藏的部门，是超对称QED与N_F口味。暗物质是多组分的，由质量从10 GeV到10 TeV的隐藏轻子和slepton组成，隐藏的光子提供了热浴。暗物质通过潜在可观察到的隐藏扇区库仑散射进行自我相互作用。此外，隐藏光子对相对论自由度的贡献在ΔN_eff ~ 0 - 2的范围内，如果隐藏和可见扇区最初是热接触的，模型预测ΔN_eff ~ 0.2 - 0.4。普朗克已经取得的数据可以提供这种偏差的证据。

Thermal WIMPs and the Scale of New Physics: Global Fits of Dirac Dark Matter Effective Field Theories

We assess the status of a wide class of WIMP dark matter (DM) models in light of the latest experimental results using the global fitting framework $\textsf{GAMBIT}$. We perform a global analysis of effective field theory (EFT) operators describing the interactions between a gauge-singlet Dirac fermion and the Standard Model quarks, the gluons and the photon. In this bottom-up approach, we simultaneously vary the coefficients of 14 such operators up to dimension 7, along with the DM mass, the scale of new physics and several nuisance parameters. Our likelihood functions include the latest data…

WIMP的直接探测

Direct detection of WIMPs

一般的弱相互作用大质量粒子（WIMP）是解释我们宇宙中冷暗物质的最有吸引力的候选者之一，因为它将以正确的丰度热产生，以解释观测到的暗物质密度。WIMP可以直接通过其与目标材料的弹性散射来搜索，并且目前正在进行或计划进行各种实验。在这些笔记中，我们概述了WIMP的直接检测率的理论计算以及不同的检测信号。我们讨论了各种成分（从粒子物理学和天体物理学），进入计算，并审查在粒子物理模型中直接检测WIMP的理论预测。

暗物质现象学：从简化的WIMP模型到精细的替代解决方案

Dark Matter phenomenology : from simplified WIMP models to refined alternative solutions

现代物理学中最令人困惑的问题之一是确定宇宙中存在的非相对论物质成分的性质，其贡献了总能量预算的25 $\%$以上，称为暗物质。弱相互作用大质量粒子（WIMP）是最有动机的暗物质候选者之一。然而，鉴于非决定性的探测信号和强大的约束，从对撞机，直接和间接的探测实验，本文提出了限制的几个实现的WIMP范式的背景下，简化的暗物质模型。更详细的模型考虑扩展规范结构进行了进一步讨论，如涉及广义陈-西蒙斯耦合和一个特定的WIMP的情况下，最近观察到的味道异常相关的$R_{K^{(*)}}$观察到的动机建设。本论文的第二部分致力于讨论另一种暗物质热产生机制，其中强相互作用大质量粒子（SIMPs）范式的明确实现讨论的背景下，一个非阿贝尔隐藏的规范结构。在最后一部分中，通过“冻结”机制产生非热的暗物质成分的可能性进行了研究，并通过除了标准引力子之外，还通过重自旋2场介导暗物质密度产生的具体情况说明了宇宙后暴胀再加热阶段对这种结构的强烈影响。

在XENONnT/LZ发现的暗物质与WIMP热产生机制的相容性

Compatibility of a dark matter discovery at XENONnT/LZ with the WIMP thermal production mechanism

暗物质（DM）在XENONnT或LZ的发现将对DM粒子质量和耦合常数施加限制。这是有趣的问，当这些限制可以与DM热生产机制兼容。我们解决这个问题的最一般的一组可重整模型，保持洛伦兹和规范对称性，并扩展标准模型的一个DM候选人的质量$m_{\rm DM}$和一个粒子的质量$M_{med}$介导DM夸克相互作用。我们的分析分为两部分。首先，我们假设XENONnT/LZ已经检测到$μ_S\sim\mathcal{O}(100)$信号事件，并使用该输入来计算DM残留物密度$Ω_{DM} h^2$。然后，我们确定的区域在$M_{med} - Ω_{DM} h^2$平面，这是兼容的观测信号和当前的CMB数据。我们发现，对于这里考虑的大多数模型，$\mathcal{O}(100)$信号事件在XENONnT/LZ和DM的热生产只兼容的共振DM湮灭，即$M_{med}\simeq2 m_{DM}$。在这种情况下，XENONNT/LZ将能够同时测量$m_{DM}$和$M_{med}$。我们还讨论了我们的结果对$m_{DM}$，$μ_S$和DM自旋的依赖性，并提供了在这项研究中考虑的所有模型的湮灭截面和介质衰减宽度的解析表达式。

Primordial black hole dark matter in the presence of p-wave WIMP annihilation

We study the allowed primordial black hole (PBH) dark matter abundance in the mixed dark matter scenarios consisting of PBHs and self-annihilating weakly interacting massive particles (WIMPs) with a velocity dependent annihilation cross section. We first briefly illustrate how the WIMP dark matter halo profile changes for the velocity suppressed p-wave annihilation scenarios, compared with the familiar s-wave annihilation scenarios, and then discuss the PBH mass dependent upper bound on the allowed PBH dark matter abundance. The WIMPs can accrete onto a PBH to form an ultracompact minihalo wit…

在暗物质自相互作用的有效理论中被太阳捕获的WIMP

WIMP capture by the Sun in the effective theory of dark matter self-interactions

在暗物质自相互作用的非相对论有效理论中，我们研究了太阳对WIMP暗物质的俘获。其目的是评估自相互作用对预期的中微子通量的影响，从湮灭的WIMP被困在太阳中的模型独立的方式。我们考虑所有的非相对论性伽利略不变的自相互作用算子，可以产生从交换的重粒子的自旋小于或等于1的WIMP的自旋等于0，1/2和1。我们表明，相互作用的运营商依赖于最线性的动量转移，WIMP诱导的中微子通量可以增强几个数量级相比，相同的流量在没有自相互作用。这是真的，即使是标准值的热平均湮灭截面。这一结论影响了对中微子望远镜目前和未来观测结果的分析。

Dark matter relic density from conformally or disformally coupled light scalars

Thermal freeze-out is a prominent example of dark matter (DM) production mechanism in the early Universe that can yield the correct relic density of stable weakly interacting massive particles (WIMPs). At the other end of the mass scale, many popular extensions of the Standard Model predict the existence of ultra-light scalar fields. These can be coupled to matter, preferentially in a universal and shift-symmetry-preserving way. We study the impact of such conformal and disformal couplings on the relic density of WIMPs, without introducing modifications to the thermal history of the Universe. …

反常介导超对称破缺的非阿贝尔暗扇区中的无WIMP暗物质

WIMPless Dark Matter from Non-Abelian Hidden Sectors with Anomaly-Mediated Supersymmetry Breaking

在反常介导的超对称破缺（AMSB）模型中，超伴体质量与耦合的平方成正比。因此，它们隐藏的部分自然包含无WIMP的暗物质，这些粒子的热遗迹丰度保证是正确的大小，即使它们不是弱相互作用大质量粒子（WIMP）。我们研究可行的暗物质候选人在WIMP无AMSB模型与非阿贝尔隐藏部门和突出不寻常的可能性，即使是最简单的模型中出现。在一个纯SU（N）隐藏扇区的例子中，稳定的隐藏胶子以正确的残余密度冻结，但具有极低但自然的限制尺度，为自相互作用的暗物质提供了一个框架。在另一个简单的场景中，隐藏的胶子冻结并衰变为具有正确残余密度的可见Winos，隐藏的胶球可能是稳定的，为混合的冷热暗物质提供自然框架，或者可能衰变，产生天体物理信号。最后，我们提出了一个模型与轻隐藏π介子，可以测试与非相对论自由度的数量上的改进的约束。所有这些场景都是由少量参数定义的，与规范耦合统一相一致，保留了弱尺度与观测到的暗物质遗迹密度之间的美丽联系，并且是自然的，具有相对较轻的可见超伙伴。最后，我们对未来有趣的方向发表评论。

WIMP通货膨胀

WIMPflation

我们提出了一类模型，其中一个稳定的暴胀子产生的早期宇宙中的热遗迹，并构成了暗物质。我们表明，暴胀子湮灭可以有效地重新加热宇宙，并确定几个例子的暴胀潜力，可以容纳所有的宇宙微波背景观测和暴胀暗物质候选人具有弱标度质量。作为一个简单的例子，我们考虑通过希格斯门相互作用发生的湮灭，从而为未来的直接探测实验带来令人鼓舞的前景。