Dark Matter Freeze-out During Matter Domination
本文研究了在非相对论性物质主导宇宙能量密度时的暗物质冻结场景,指出物质主导期的Hubble膨胀率差异及早期物质衰变对暗密度的稀释作用,导致重现观测遗迹密度所需的质量与耦合参数与辐射主导冻结显著不同。
2017-10-15 astro-ph.CO hep-ph
Dark Matter Freeze-out in a Matter Dominated Universe
宇宙经历了几个阶段的演变,因为它的各种成分决定了它的能量含量。候选的暗物质粒子可能在任何这样的阶段都经历过冻结。虽然在辐射主导的时代,以及最近在标量场衰变期间,标准的冻结场景已经被探索,但这项工作将暗物质冻结的研究扩展到了宇宙以物质为主且其演化绝热的潜在早期。在绝热物质占主导地位的时代,解耦改变了冻结动力学,因为哈勃速率在物质和辐射占主导地位的情况下参数不同。此外,对于成功的大爆炸核合成,控制早期宇宙能量密度的状态必须衰变,这稀释(或重新填充)了暗物质。因此,与观测到的暗物质遗迹密度相匹配的质量和耦合可能与辐射主导的冻结有很大不同。
2021-08-17 astro-ph.CO hep-ph
Constraining Axion Dark Matter with Big Bang Nucleosynthesis
我们表明,大爆炸核合成(BBN)显着约束类轴子暗物质。轴子的行为就像一个振荡的QCD $θ$角,在早期宇宙中发生红移,增加了中子冻结时的中子-质子质量差。类轴子粒子与QCD的耦合太强,导致BBN过程中4 He的产生不足,因此被排除在外。BBN边界与大部分参数空间重叠,这些参数空间将被提议的随时间变化的中子EDM搜索所覆盖。QCD轴子的耦合不足以影响BBN。
2014-02-05 astro-ph.CO hep-ph
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。
2018-12-12 astro-ph.CO hep-ph
Freeze-In Production of FIMP Dark Matter
我们提出了另一种可计算的暗物质成因机制,“热冻结”,涉及一个弱相互作用大质量粒子(FIMP)与热浴的相互作用如此微弱,它永远不会达到热平衡。与传统的“热冻结”产生机制一样,遗迹丰度反映了初始热分布与粒子质量和耦合的组合,这些都可以在实验室或天体物理学中测量。冷冻产率是由接近FIMP质量的低温主导的IR,并且独立于未知的UV物理,例如膨胀后的再加热温度。弦论紧化的模和模子从弱尺度超对称破缺中获得质量,提供了冻结机制的实现,就像使用狄拉克中微子质量或大统一体尺度抑制相互作用的模型一样。冻结和FIMPs的实验信号可能是壮观的,包括在LHC中产生新的亚稳态有色或带电粒子以及大爆炸核合成的改变。
2009-12-08 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on Cosmic Super-Strings from Kaluza-Klein Emission
宇宙超弦一般与光塔和/或与内部空间几何相关的强耦合卡鲁扎-克莱因(KK)模式相互作用。我们研究了宇宙超弦环产生KK粒子的过程,并表明它受到大爆炸核合成的约束。我们研究了由此产生的约束条件的参数空间的基础弦论模型,并强调其互补性的区域,可以探测当前和即将到来的引力波实验。
2012-06-29 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Braneworld Cosmological Effect on Freeze-in Dark Matter Density and Lifetime Frontier
在5维膜世界宇宙学中,我们在膜上的4维宇宙的弗里德曼方程在高温下被修改,而标准的大爆炸宇宙学在低温下被复制。基于Randall-Sundrum和Gauss-Bonnet两种著名的膜世界宇宙论,我们研究了膜世界宇宙论对非热暗物质粒子的残余密度的影响,该粒子与标准模型粒子的相互作用非常弱,其残余密度由冻结机制决定.对于早期宇宙中的暗物质产生过程,我们假设一个简单的场景,其中有一个光矢量-玻色子介质,用于暗物质粒子与标准模型粒子进行通信。我们发现,膜世界宇宙学效应可以极大地改变标准大爆炸宇宙学中产生的暗物质遗迹密度。作为应用,我们考虑了以轻$B-L$规范玻色子($Z^\prime$)为介质的最小$B-L$扩展标准模型中的右手中微子暗物质.我们发现膜世界宇宙学效应的影响,寻找长寿的$Z^\prime$玻色子在计划/拟议的寿命前沿实验。
2019-11-13 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Dark Matter Freeze-in Production in Fast-Expanding Universes
如果暗物质是在大爆炸核合成之前的早期宇宙中产生的,那么修改后的宇宙历史可以极大地影响残余暗物质粒子的丰度。在这里,我们假设一个额外的物种辐射在早期占主导地位,导致在一个给定的温度下的膨胀率大于在标准的辐射主导的情况下。我们证明,如果是这种情况下,暗物质生产通过冻结(一种情况下,当暗物质相互作用非常弱,并倾倒在早期宇宙的平衡衰变或散射过程中涉及粒子在热浴)是显着抑制。我们说明和定量和分析研究这一现象的三个不同的范式类冻结的情况。为了使冻结的暗物质丰度与观测结果一样大,暗物质和可见扇区粒子之间的耦合必须增强几个数量级。这为探测冻结产生的暗物质的实验和观测前景带来了一些乐观的前景。
2018-02-22 astro-ph.CO hep-ph
Warm dark matter from a gravitational freeze-in in extra dimensions
本文研究五维模型中仅通过引力与SM作用的最小暗物质候选者的冻结机制,发现宽质量范围可满足遗迹密度,虽难地面探测,但温暗物质参数区可由宇宙学和天体物理观测检验。
2022-08-05 hep-ph
Constraining scalar dark matter with Big Bang nucleosynthesis and atomic spectroscopy
标量暗物质可以与标准模型(SM)粒子相互作用,在此过程中改变自然界的基本常数。在大爆炸核合成(BBN)期间和之前的基本常数的变化产生了轻元素原始丰度的变化。通过比较测量和计算(SM内)原始丰度的$^{4}$他,这主要是由中子-质子质量差的比例冻结温度在弱相互作用冻结之前BBN的时间,我们能够推导出严格的约束质量的标量暗物质粒子$ϕ$连同其与光子的相互作用,在$ϕ$中通过二次耦合的轻夸克和大质量矢量玻色子,以及在$ϕ$中通过线性耦合的它与大质量矢量玻色子的相互作用。我们还从最近的原子镝光谱测量中推导出$ϕ$与光子的二次相互作用的严格约束。
2015-04-12 astro-ph.CO hep-ph hep-th
Electron-Positron Annihilation Freeze-Out in the Early Universe
电子正电子湮没主要发生在中微子脱离热平衡后的局部热化学平衡和大爆炸核合成(BBN)时期。这个过程的影响是显而易见的BBN产量以及相对论自由度。我们自洽地计算碰撞积分的电子-正电子的创建和湮灭使用的Klein-Nishina振幅和适当的统计因子费米阻塞和玻色增强。我们的计算表明,当光子-电子-正电子-重子等离子体的温度约为16 keV时,这种湮灭就会冻结,之后它的速率就会下降到哈勃速率以下。在16 keV附近的温度制度,我们打破了电子,正电子和光子之间的化学平衡的假设,独立计算的电子和正电子的化学势的演变,同时计算在每个时间步的相关碰撞积分。我们发现电子和正电子的化学势偏离了化学平衡的情况。虽然我们的研究结果不影响解释精确的宇宙学测量在阐明标准宇宙模型,这些平衡效应可能是重要的测试物理超越标准模型。
2019-10-30 astro-ph.CO hep-ph
Multipolar Dark Matter Freeze-out in an Early Matter-Dominated Universe
Indian Institute of Science(印度科学研究所);Tata Institute of Fundamental Research(塔塔基础研究所)
研究早期物质主导宇宙中费米子暗物质通过高维电磁算符与标准模型相互作用的冻结,考虑多种相互作用并计算耦合,对比参数空间与标准场景及当前约束,发现熵稀释使可行参数空间变化,凸显早期宇宙学历史对暗物质现象学和实验可行性的影响。
2026-07-10 astro-ph.CO hep-ph
Cosmological bounds on large extra dimensions from non-thermal production of Kaluza-Klein modes
现有的宇宙学对大额外维度理论的限制依赖于早期宇宙中引力子和辐射子的卡鲁扎-克莱因模式的热产生。成功的暴胀和再加热,以及重子生成,通常需要在体中存在TeV尺度的场,最明显的是暴胀子。伴随着暴胀子衰变产生的质量为100 GeV的KK模的非热产生确定了基本尺度M * 的下限。对于1 TeV的暴胀子,除非M * 分别> 35,13,7,5和3 TeV(2,3,4,5和6维),否则这些模的晚期衰变将扭曲大爆炸核合成的成功预言。这改进了现有的宇宙学关于4、5和6维额外维M_* 的界。对于较重的暴胀子,推导出更严格的界限。
2003-05-01 hep-ph
The surprising influence of late charged current weak interactions on Big Bang Nucleosynthesis
早期宇宙中的弱相互作用带电电流过程($ν_e+n\leftrightarrow p+e^-$,$\barν_e +p\leftrightarrow n+e^+$,$n\leftrightarrow p+e^-+\barν_e$)使中子和质子相互转换,对大爆炸核合成(BBN)轻元素丰度产额有重要影响,特别是对$^{4}{\rm He}$的影响。我们证明,这些过程的影响仍然是显着的,即使当他们运行远低于温度$T\sim0.7\,{\rm MeV}$通常调用“弱冻结”,实际上几乎到α粒子形成时代($T \approx 0.1\,{\rm MeV}$)。这种物理现象在常用的BBN代码中被正确地捕捉到,尽管这种后期,低温持续的同位旋变化弱过程的影响,以及相关速率对轻子能量分布函数和阻塞因子的敏感性并没有得到广泛的重视。我们通过分析弱相互作用速率对中子寿命、轻子能量分布函数、熵、质子-中子质量差和哈勃膨胀率的依赖性来量化这种后期影响。我们在这里指出的效应使BBN成为任何超越标准模型的物理学的敏锐探测器,这些物理学改变了轻子数/能量分布,甚至微妙地改变了早期宇宙一直到$T=100\,{\rm keV}$附近的时代。
2016-07-10 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on the size of the extra dimension from Kaluza-Klein gravitino decay
我们研究引力子衰变为暗物质的后果。我们假设最轻的中性伴子是暗物质的主要成分。在我们的框架中,引力子足够重,可以在大爆炸核合成开始之前衰变。我们考虑一个模型来自一个在$S^1/Z_2$上紧化的五维超引力,其中重力在体积上,物质在轨道不动点处定位在无张力膜上。我们要求热产生的和在卡鲁扎-克莱因引力子衰变模式中产生的暗物质具有与观测相符的丰度。从我们的模型中我们可以推断出额外维度的大小与宇宙膨胀后的再加热温度之间存在着约束曲线。
2007-06-28 astro-ph hep-ph
Big bang nucleosynthesis constrains the total annihilation cross section of neutralino dark matter
假设最轻的中性伴子形成暗物质,我们研究它在早期宇宙冻结后的残余湮灭。如果湮灭产物发生在大爆炸核合成(BBN)之后,特别是强子模的湮灭产物可能引起非热核反应,从而改变标准BBN方案中轻元素原始丰度的预测。因此,我们对中性伴子湮灭截面加以限制。这些限制是免费的不确定性的暗物质档案今天遭受的直接或间接检测暗物质。我们发现BBN的约束是重要的,特别是当采取大的$\tanβ$。如果轻元素丰度在未来能够以更高的精度被确定,则约束将变得非常强,使得遗迹密度要求所允许的大部分参数空间可以被排除。
2008-04-17 hep-ph
Probing Dark Matter freeze-in with long-lived particle signatures: MATHUSLA, HL-LHC and FCC-hh
对长寿命粒子的对撞机搜索产生了一个有希望的途径来探测通过母粒子的衰变冻结产生的暗物质。本文以标准模型希格斯粒子冻结暗物质为例,分析了在大型强子对撞机及更远的地方,从中性母粒子的衰变中探测冻结暗物质的参数空间的前景。我们得到的投影灵敏度的建议MATHUSLA表面探测器(MATHUSLA 100和MATHUSLA 200配置)的长寿命粒子搜索冻结在暗物质参数空间,并研究其互补性的搜索由ATLAS和CMS在HL-LHC,以及与宇宙学的约束的相互作用:大爆炸核合成和莱曼- $α$森林观测。然后,我们分析的灵敏度,将来自未来的100 TeV的$pp$对撞机内的前向探测器的改进。此外,我们还讨论了几个技术方面的目前的暗物质冻结的情况下:电弱相变的作用;列入热质量,这是以前被忽视的冻结从衰变研究; $2\to 2$散射过程的影响上的暗物质遗迹丰度;和冻结和超级WIMP暗物质生产机制之间的相互作用。
2019-08-29 hep-ph
Scattering Amplitudes of Massive Spin-2 Kaluza-Klein States with Matter
本文分析了五维引力理论中物质与引力Kaluza-Klein模式的散射,证明尽管朴素幂次计数预示振幅可增长至$\mathcal{O}(s^3)$,但由微分同胚不变性保证的求和规则使总振幅增长不超过$\mathcal{O}(s)$,并讨论了该结果对暗物质遗迹丰度计算的意义。
2024-07-01 hep-ph hep-th
Bino Dark Matter and Big Bang Nucleosynthesis in the Constrained E6SSM with Massless Inert Singlinos
我们讨论了一个新的变种的E6启发超对称标准模型(E6 SSM)中的两个惰性singlinos是完全无质量和暗物质候选人有一个占主导地位的bino组件。一个成功的遗物密度是通过一种新的机制,在该机制中,比诺散射成较重的惰性希格斯诺在热冻结的时间非弹性。这两个无质量的惰性单线态中微子在大爆炸核合成时对中微子种类的有效数量有贡献,而精确的贡献取决于使它们保持平衡的Z'的质量。例如,对于mZ' > 1300 GeV,我们发现Neff \approx 3.2,其中附加贡献的小是由于熵稀释。我们研究了几个基准点的约束E6SSM与无质量惰性singlinos来说明这个新的情况。
2011-05-11 hep-ph
BBN constraints on universally-coupled ultralight scalar dark matter
超轻标量暗物质可以通过一种普适耦合与所有大质量标准模型粒子相互作用。这种耦合改变了标准模型的粒子质量,并影响了大爆炸核合成的动力学。我们建立了暗物质的宇宙学演化模型,考虑到环境对标量质量的修改以及大爆炸核合成的完整动力学。我们发现,精确测量的氦-4丰度设置严格的限制,可用的参数空间,这些限制强烈影响的暗物质的环境质量和中子冻结的动力学。此外,我们在爱因斯坦和约旦框架中进行分析,后者允许我们将模型实现为数值大爆炸核合成代码并分析额外的光元素。数值分析表明,来自氦-4的约束优于氘,并且对锂的影响不足以解决锂问题。与其他几个探测器相比,我们发现大爆炸核合成对大多数参数空间设置了最强的约束。
2020-12-14 astro-ph.CO hep-ph
The Sound of the Little Bangs
对重离子在相对论能量下碰撞所发射出的粒子的测量表明,膨胀火球的冻结表面存在温度波动。这些可以理解为初始碰撞重叠区域中密度不均匀性的残余。在本文中,我们提出了一个类似于宇宙微波背景辐射分析的重离子碰撞的分析。我们使用横向动量相关的数据,以提取功率谱的重离子碰撞和使用的Glauber模型偏心率提取所需的传递函数,以产生所观察到的相关性。我们还讨论了声学信号,即物质内部的观察者所听到的声音。
2010-09-30 hep-ph nucl-th
Inelastic Freeze-in
本文研究具有微小质量劈裂的赝狄拉克暗物质通过暗光子冻结产生的宇宙学特征,重点分析激发态三体衰变注入高能电子对大爆炸核合成、CMB和莱曼-α森林的影响,并指出宇宙学与加速器探测的互补性。
2023-04-12 astro-ph.CO hep-ph
Improved Big Bang Nucleosynthesis constraints on decaying massive relics
Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY(德国电子同步加速器);Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma & Sezione INFN Roma1(罗马第一大学物理系与INFN罗马一分部);Service de Physique Théorique, Université Libre de Bruxelles(布鲁塞尔自由大学理论物理服务处);CP3-Origins, University of Southern Denmark(南丹麦大学CP3起源中心)
通过改进的大爆炸核合成分析,更新了长寿命重质量BSM遗迹衰变到标准模型粒子的约束,包括两体衰变通道、核子转化、光致和强子光致离解,并利用PYTHIA 8计算注入谱,给出寿命、质量和丰度的排除轮廓。
2026-05-26 astro-ph.CO hep-ph
Near Threshold Kaluza-Klein Graviton Decays and the Dark Dimension
Center for Theoretical Physics – a Leinweber Institute, Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院莱因韦伯理论物理中心)
该研究指出近阈值KK引力子衰变为纯d波,速率与动量五次方成正比,排除了其作为暗物质候选,并利用产生的MeV伽马射线约束再加热温度,要求额外维度半径远小于距离猜想预期。
2026-10-02 hep-ph hep-th
Modified big bang nucleosynthesis with non-standard neutron sources
在大爆炸核合成过程中,在形成$^7$ Be的时间附近,即在$T \simeq 50$ ~keV的温度下,任何额外中子的注入都可以减少预测的$^7$ Be + $^7$ Li的冻结量,否则它与从Pop II恒星的观测中推断出的Spite平台值存在尖锐矛盾。然而,对原始D/H确定的信心不断增加,对任何这种情况都提出了强有力的约束。我们详细地解决这个问题,分析不同的时间模式的中子注入,如衰变,湮灭,共振湮灭,和镜像和标准模型世界中子之间的振荡。对于后者的情况下,我们推导出现实的注入模式,考虑到原始等离子体中的热效应(阻尼和折射)。如果额外的中子供应是BBN期间唯一的非标准机制,那么锂丰度低于Li/H~ $\leq 1.9 \times 10^{-10}$的抑制总是导致氘D/H~ $\geq 3.6 \times 10^{-5}$的过量产生,远远超出最近观测所建议的误差线。
2014-05-07 astro-ph.CO hep-ph nucl-th
Limits on Brane-World and Particle Dark Radiation from Big Bang Nucleosynthesis and the CMB
暗辐射这个术语既用来描述没有相互作用的中微子,也用来修正最简单的五维RS-II膜世界宇宙学中的弗里德曼方程。本文根据轻元素核反应率、观测到的轻元素丰度和宇宙微波背景(CMB)功率谱的最新结果,考虑了暗辐射两种含义的限制。在大爆炸核合成(BBN)过程中加入暗辐射改变了弗里德曼膨胀率,导致核反应在不同的温度下冻结。这改变了BBN末端的最终轻元素丰度。它对CMB的影响是改变末次散射表面的有效膨胀率。我们发现,BBN约束减少了允许的范围为两种类型的暗辐射在10兆电子伏之间的$-12.1\%$和$+6.2\%$的{ \bf总}背景能量密度在10兆电子伏。将这个结果与CMB功率谱的拟合相结合,产生了粒子与膜世界暗辐射的不同结果。在膜世界中,范围从$-6.0\%$减小到$+6.2\%$。因此,我们发现,暗辐射的背景总相对论质量能量密度$ρ_{\rm DR}/ρ$的比例是一致的,虽然仍然有一个非常轻微的偏好为正(而不是负)的贡献。
2017-06-08 astro-ph.CO hep-ph
Neutrino energy transport in weak decoupling and big bang nucleosynthesis
我们通过同时耦合一个完整的强、电磁和弱核反应网络和一个多能群Boltzmann中微子能量输运方案,计算了早期宇宙在弱退耦、弱冻结和大爆炸核合成(BBN)时期的演化.我们的代码的模块化结构提供了解剖的能力,负责演变的动力学的早期宇宙在中微子味振荡的情况下,每个过程的相对贡献。这种方法允许详细说明$ν_e$、$\barν_e$、$ν_μ$、$\barν_μ$、$ν_τ$、$\barν_τ$能量分布函数的演化,这些函数与核反应以及中微子和光子/电子/正电子/重子等离子体成分之间的熵/热生成和流动是自洽的。该计算揭示了中微子分布函数和等离子体热力学条件(例如,电子-正电子对密度),并暗示:比例因子和等离子体温度之间的相位;中子-质子比;轻元素丰度的历史;和宇宙学参数\neff。我们发现,我们的方法以下的中微子光谱扭曲和伴随的熵产生和提取的等离子体的时间发展的结果在BBN氘产额的计算值的变化。例如,对于等离子体热力学中的量子校正的特定实现,我们的计算显示氘的$0.4\%$增加。在观测和核物理不确定性预期改善的背景下,这些变化具有潜在的重要意义。
2016-03-27 astro-ph.CO hep-ph
Dark matter from hot big bang black holes
本研究提出早期宇宙热等离子体中粒子碰撞形成的微观黑洞蒸发后可留下稳定暗物质残余,在高再加热温度和半经典黑洞动力学假设下解释观测到的暗物质丰度,且无需非引力暗物质-标准模型相互作用。
2023-10-02 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Constraints on Ultralight Scalar Dark Matter with Quadratic Couplings
超轻暗物质是一个引人注目的暗物质候选者。在这项工作中,我们研究了二次耦合超轻暗物质对大爆炸核合成预测的影响。超轻暗物质的存在可以修改大爆炸核合成过程中基本常数的有效值,修改原始元素(如氦-4)的预测丰度。我们从两个方面改进了现有的文献:首先,我们考虑了超轻暗物质由于与标准模型浴的二次相互作用而获得的热质量,它影响了暗物质的宇宙学演化。其次,我们处理弱冻结使用完整的动力学方程,而不是使用一个瞬时近似。这两项改进都被证明会影响氦-4在以前工作中普遍耦合的暗物质背景下的预测。我们将这些经验推广到更一般的耦合。我们表明,这些修改,大爆炸核合成提供了强大的约束超轻暗物质与二次耦合的标准模型的大范围的质量相比,这个模型的其他探针,如等效原理测试,原子和核时钟,以及天体物理和其他宇宙学探测。
2023-03-28 astro-ph.CO hep-ph
Updated BBN constraints on electromagnetic decays of MeV-scale particles
在这项工作中,我们修改和更新模型独立的约束,从大爆炸核合成的兆电子伏级粒子$ϕ$衰减成光子和/或电子-正电子对。我们使用最新的原始丰度测定,并通过包括所有自旋统计因子以及逆衰变来扩展arXiv:1808.09324中的分析,从而显着加强了所得的边界,特别是对于小质量。对于$ϕ$的初始丰度非常受抑制的情况,这些效应变得更加重要,并且我们发现,即使是纯的“冻结”丰度也可以被显著地限制。与本文并行,我们发布了公共代码ACROPOLIS,该代码数值求解了评估光致衰变对最终轻元素丰度的影响所需的反应网络。作为一个有趣的应用,我们重新评估了由于铍的光分解而导致的锂问题的可能解决方案,并发现例如通过冷冻产生的ALP可以导致可行的解决方案。
2021-05-18 astro-ph.CO hep-ph
Big Bang nucleosynthesis and baryogenesis in power-law $f(R)$ gravity: Revised constraints from the semianalytical approach
本文研究了$\mathscr{L}=\varepsilon^{2-2β}R^β+{16π}m_P^{-2}\mathscr{L}_m$引力场中的原初核合成,其中$\varepsilon$是平衡场方程维数的常数,$1<β<(4+\sqrt{6})/5$是能量密度和温度为正的常数.从半解析方法出发,详细分析了$β$对中微子退耦、冻结温度和核子浓度、氘瓶颈打开以及$^4$ He丰度的影响,并将$β$约束为$\varepsilon=1$(1/s)和$1<β<1.001$($\varepsilon=m_P$(普朗克质量)).作为对经验方法的补充,用非标准原始核合成的模型无关的最佳拟合公式计算了最轻元素(D,$^4$ He,$^7$ Li)的丰度,并找到了对应于额外中微子$0< ΔN_ν^{\text{eff}} \leq 0.6365$的约束$1< β\leq 1.0505$;同时,对于$β$的这个区域,$^7$ Li的丰度问题不能用$\mathscr{L}=\varepsilon^{2-2β}R^β+{16π}m_P^{-2}\mathscr{L}_m$引力来解决.最后,估计了与引力重子生成机制的一致性。
2015-11-10 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Antimatter Regions in the Early Universe and Big Bang Nucleosynthesis
我们研究了存在反物质区域的大爆炸核合成。根据反物质区域的距离尺度,以及它们湮灭的时代,早期宇宙中反物质的数量受到观测到的丰度的限制。小的区域,其中湮灭弱freezeout后,但在核合成之前,导致减少的4 He产量,因为中子湮没。核合成后湮灭的大区域导致3 He产率增加。氘的生产也受到影响,但影响不大。~ 3 He的三种最重要的产生机制是:1)~ 4 He的湮没辐射光致衰变,2)pbar-~ 4 He的湮没,3)nbar-~ 4 He的反~ 4 He湮没产生的“次级”反中子的湮没。虽然pbar-4 He湮灭产生的3 He比二次nbar-4 He湮灭更多,但后者的产物在后来的湮灭中更好地存活下来,因为它们分布在更远离湮灭区的地方。
2000-09-20 astro-ph hep-ph nucl-ex
Velocity-dependent self-interacting dark matter from thermal freeze-out and tests in direct detections
在文献中,一小部分的毫荷电暗物质(DM)被认为是对宇宙黎明时21厘米吸收增强的解释。在这里,我们专注于DM的主要组成部分是自相互作用的暗物质(SIDM)的情况下,由小尺度问题的动机。对于SIDM的自相互作用是兼容的从矮到集群规模,速度依赖的自相互作用介导的轻标量$ϕ$被认为是。对于费米子SIDM $Ψ$,主湮没模$Ψ\barΨ \to ϕϕ$是一个$p -$波过程.早期宇宙中SIDM $\rightleftarrows ϕ\rightleftarrows$标准模型(SM)粒子的热跃迁为$ϕ$与SM粒子的耦合设置了一个下限,这一下限已被DM直接探测所排除,在这里我们考虑SIDM通过毫荷电DM处于热平衡。对于$m_ϕ>$ 2毫荷电DM质量,$ϕ$可以快速衰变,避免多余的能量注入到大爆炸核合成中。因此,$ϕ-$ SM粒子耦合可能非常微小,并逃避DM直接检测。弱相互作用大质量粒子(WIMP)与原子核接触散射的图象不能用于SIDM与光介质的散射,本文探索了一种将WIMP搜索结果转化为直接探测SIDM的方法.
2020-01-16 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Dark matter and the early Universe
大爆炸核合成(BBN)是最早的现象之一,可以导致早期宇宙性质的观测约束。众所周知,在BBN之前,发生了许多重要的机制和相变。我们讨论了通过宇宙学、天体粒子物理学和对撞机对暗物质的研究来深入了解原始宇宙的可能性。为了这个目的,我们假设暗物质是一个热遗迹,并表明,结合对撞机搜索与暗物质可观的可以导致强有力的限制冻结期前BBN。
2018-11-30 astro-ph.CO hep-ph
Neutralinos, Big Bang Nucleosynthesis and 6Li in Low-Metallicity Stars
考虑了大爆炸核合成(BBN)时期由于暗物质粒子的残余湮灭而导致的Li 6的合成。通过比较预测的锂6在低金属丰度的恒星中的这种同位素的观测,S波暗物质湮灭率的一般限制,夸克,规范玻色子,和希格斯玻色子的派生。例如,可以证明,在反常介导的超对称性破缺情形中,质量Mx < 250 GeV的维诺暗物质或Mx < 20 GeV的轻中性伴子湮灭为轻夸克,从表面上看,都是排除的。只有在所有三颗低金属丰度恒星都发生了显著的Li 6耗尽时,这些限制才能被规避,迄今为止,在这三颗恒星中已经观察到了这种同位素。在一般情况下,调用非热产生的中性伴子增强湮灭率的宇宙射线正电子或银河系中心,以及扩散的背景伽马射线信号的假定解释,由当今的中性伴子湮灭的情况下,将不得不面对一个严格的锂6生产过剩的问题。另一方面,在低金属丰度恒星中观察到的Li 6可能完全是由于BBN期间残留的暗物质湮灭造成的,即使中性伴子经历了标准的热冻结。
2004-11-22 astro-ph hep-ph
Constraining Non-thermal and Thermal properties of Dark Matter
我们描述了暗物质(DM)丰度的演变,从它的创建从暴胀子衰变的假设下的瞬时再加热的开始。基于初始条件,如暴胀子质量和它的衰变分支比DM,再加热温度,DM质量和与热浴的相互作用速率,DM粒子可以热化(完全/部分)与原始浴或保持非热在其整个演化历史。在热的情况下,最终的丰度是由大湮灭率的标准冻结机制,而不管初始条件。对于较小的湮灭率,它可以通过冻结机制来设置,也与初始丰度无关,只要它开始时很小。对于更小的相互作用率,DM是非热的,而遗迹丰度将基本上由初始条件。通过精确求解相应的Boltzmann方程,对DM质量和湮没率进行了与模型无关的约束,并确定了允许参数空间的热冻结区、冻结区和非热区.我们强调了一个普遍的事实,即暴胀子衰变DM不可避免地导致了一个大范围的DM参数空间的宇宙的overclosure,从而构成了一个严格的约束,必须考虑到,而构建模型的DM。对于热DM区,我们还展示了间接DM搜索实验、大爆炸核合成、宇宙微波背景、普朗克测量以及由于S-矩阵的么正性而引起的理论限制的互补约束。对于非热DM的情况下,我们显示了允许的参数空间的暴胀和DM质量为一个给定的再加热温度,并计算共动自由流长度,以确定热,温暖和冷DM制度。
2014-05-09 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on Primordial Black Holes From Big Bang Nucleosynthesis Revisited
随着空间的膨胀,黑洞中的能量密度相对于辐射的能量密度增加,这为我们提供了考虑早期宇宙包含大量此类物体的情况的动力。在这项研究中,我们重新审视的限制,原始黑洞来自测量的轻元素丰度。黑洞和它们的霍金蒸发产物可以通过改变中子-质子冻结时的膨胀率,以及通过辐射可以将质子转化为中子的介子,反之亦然,来影响大爆炸核合成(BBN)时代。这样的黑洞可以提高原始中子与质子的比例,并增加最终产生的氦的数量。此外,霍金蒸发的产物可以分裂氦核,这既降低了氦的丰度,又增加了原始氘的丰度。在以前工作的基础上,我们利用现代氘和氦的测量得到严格的限制黑洞蒸发在$t_{\rm evap} \sim 10^{-1}$ s $\sim 10^{13}$ s(对应于$M \sim 6\times 10^8$ g到$\sim 2 \times 10^{13}$ g,假设标准模型粒子含量)。我们还考虑了超越标准模型的物理学如何影响这些约束。由于霍金蒸发的引力性质,黑洞蒸发的速率以及通过这一过程产生的粒子类型取决于完整的粒子谱。在此背景下,我们讨论的情况下,具有大量的解耦自由度(\ie ~大隐藏部门),以及TeV级超对称模型。
2020-06-05 astro-ph.CO astro-ph.HE hep-ph
Dark Matter in a bi-metric universe
本文在含两个标度因子和形变参数κ的非标准泊松括号宇宙模型中,利用 Freeze-In 与 Freeze-Out 机制研究暗物质演化及遗迹密度,证明其可扩大 BBN 前相容的截面与质量参数空间。
2023-04-02 hep-ph
Axion-like particle (ALP) portal freeze-in dark matter confronting ALP search experiments
本文研究非标准宇宙学中通过ALP门户的紫外冻结暗物质产生,发现更快膨胀可允许更强的可见-暗扇区耦合,从而提升FASER、DUNE和SHiP等实验对冻结暗物质的探测前景。
2023-12-05 hep-ph
Dark Matter from Evaporating Primordial Black Holes in the Early Universe
本文研究早期宇宙中占主导的原初黑洞在核合成前蒸发产生暗物质的冻结机制,考虑两种形成机制下的连续质量谱,并给出该场景解释极早期暗物质产生的条件。
2024-06-10 astro-ph.CO hep-ph
The Neutron Mean Life and Big Bang Nucleosynthesis
我们探讨了中子寿命及其不确定性对标准大爆炸核合成(BBN)的影响。BBN描述了轻核素$^1{\rm H}$、${\rm D}$、$^3{\rm H}$ + $^3{\rm He}$、$^4{\rm He}$和$^7{\rm Li}$ + $^7{\rm Be}$在宇宙时间的最初几分钟内的宇宙产生。中子平均寿命$τ_n$在现代BBN计算中有两个作用:(1)规范化弱$n \leftrightarrow p$互变的矩阵元,(2)设定弱相互作用冻结后的自由中子衰变速率。我们回顾了$τ_n$测量和BBN之间的相互作用的历史,并提出了轻元素丰度的灵敏度现代中子寿命测量的研究。我们发现,$τ_n$的不确定性占主导地位的预测$^4{\rm He}$误差预算,但这些理论误差仍然小于$^4{\rm He}$观测的不确定性,即使在最近的中子寿命测量的分散。对于其他轻元素的预测,$τ_n$的贡献可以忽略不计,他们的错误预算。把这个问题,我们结合目前的BBN和宇宙微波背景(CMB)测定的宇宙重子密度$\textit{predict}$的“宇宙学首选”的平均寿命的$τ_{n}({\rm BBN+CMB}) = 870 \pm 16 \ \rm sec$,这是符合实验的平均寿命测定。我们继续表明,如果未来的天文和宇宙学氦观测可以达到$^4{\rm He}$质量分数$Y_p$的$σ_{\rm obs}(Y_p) …
2023-03-07 astro-ph.CO hep-ph nucl-ex
Gravitational Imprints from Heavy Kaluza-Klein Resonances
本文系统地研究了具有类幂行为标量势的五维弯曲模型中辐射场的全息相变。我们认为卡鲁扎-克莱因(KK)共振质量$m_{\rm KK}$在TeV尺度或以上。利用超势形式考虑了辐射场对引力度规的反作用。禁闭/解除禁闭一级相变导致引力波随机背景,该背景主要依赖于对偶理论中的尺度$m_{\rm KK}$和颜色数$N$.其功率谱的峰值频率取决于电弱扇区所需的调谐量。事实证明,现在和即将到来的引力波观测站可以探测KK共振非常重的情况。目前的aLIGO数据已经排除了质量在$m_{\rm KK}\sim(1 - 10) \times 10^5$ TeV区间的矢量玻色子KK共振。未来的引力实验将对质量为$m_{\rm KK}\lesssim 10^5$ TeV(LISA)、$10^8$ TeV(aLIGO Design)和$10^9$ TeV(ET)的共振敏感。最后,我们还发现,在频谱上的大爆炸核合成的约束变成了一个较低的约束的成核温度为$T_n \gtrsim 10^{-4}\sqrt{N} \,m_{\rm KK}$。
2020-09-10 gr-qc hep-ph hep-th
Cosmological singularities in Born-Infeld determinantal gravity
玻恩-因菲尔德行列式引力最近被提出作为一种平滑大爆炸奇点的方法。这一理论是制定上的Weitzenbock时空和teleparel表示使用,而不是标准的黎曼表示。我们发现,虽然该理论在参数空间的某些区域是无奇性的,在这些区域中,哈勃速率在高能区的发散被Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker宇宙中的de-Sitter阶段或反弹所取代,但在该理论的位形空间的其他区域中,宇宙学奇异性(如大撕裂、大爆炸、大冻结和突然奇异性)可以出现.我们还表明,所有这些奇异事件存在,即使宇宙充满了一个完美的流体与恒定的状态方程。
2014-11-18 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
A warped scalar portal to fermionic dark matter
我们认为,扩展的SM与一个扭曲的额外的维度,连同一个新的$\mathbb{Z}_2$ -奇数标量单线态,提供了一个自然的解释,不仅为层次问题,而且为费米子的大质量和观测到的暗物质遗迹丰度的性质。特别是,新标量粒子的卡鲁扎-克莱因激发,这是通过Yukawa类相互作用自然获得费米子体质量所必需的,可以成为任何费米子传播到额外维度的主体并扮演暗物质角色的主要门户。此外,这种标量激发必然会与希格斯玻色子混合,导致希格斯耦合和分支比的改变,并允许希格斯介导费米子暗物质的共湮灭。我们研究这些影响,并探讨在这些新的重标量介质的存在下,无论是在通常的冻结出的情况下,在冻结出的情况下,发生在早期的物质统治的费米暗物质的可行性。
2021-01-26 hep-ph
Cosmological Constraints on Decoupled Dark Photons and Dark Higgs
任何中性玻色子,如暗光子或暗希格斯玻色子,都可以与它的标准模型对应物混合。当与标准模型非常弱地混合时,这些粒子在早期宇宙中通过冻结机制产生,随后衰变回标准模型粒子。在这项工作中,我们将限制这样的介质衰变考虑大爆炸核合成和宇宙微波背景辐射的界限。我们发现核合成和CMB都可以约束暗光子,对于1 MeV到100 GeV的质量,动力学混合参数在log ε ~ -10到-17之间。类似地,暗希格斯粒子与标准模型希格斯粒子的混合角ε被限制在log ε ~ -6到-15之间。通过PIXIE等实验,可以显著改善CMB光谱失真的边界。
2016-05-23 astro-ph.CO hep-ph
Gravity-mediated Dark Matter in Clockwork/Linear Dilaton Extra-Dimensions
我们首次研究了暗物质(由自旋为$0,1/2$或$1$的粒子表示)与标准模型粒子在额外维度的发条/线性膨胀模型中引力相互作用的可能性。我们假设,暗物质和标准模型,都是本地化的IR膜,只有通过引力介质,即卡鲁扎-克莱因(KK)引力子和radion/KK-介子模式。我们详细分析了暗物质湮灭进入标准模型粒子和进入两个壳层卡鲁扎-克莱因塔的通道(两个KK-引力子,或两个放射子/KK-引力子,或每种一个),发现对于从5到几百TeV的5维引力标度$M_5$,通过$m_{\rm DM} \in [1, 15]$ TeV范围内的暗物质质量的热冻结可以获得观测到的遗迹丰度,即使在考虑了LHC运行II的边界和DM粒子自旋无关的情况下。
2020-04-09 astro-ph.HE hep-ph
Vector Dark Matter from $d\geq 2$ Extra Dimensions
Institute for Particle Physics Phenomenology, Department of Physics, Durham University(杜伦大学粒子物理现象学研究所);University of Freiburg, Institute of Physics(弗赖堡大学物理研究所)
本文提出来自 $d\geq 2$ 额外维度的卡鲁扎-克莱因矢量塔作为自然暗物质候选者,其仅与引力相互作用,并计算了冻结机制下的多组分遗迹丰度。
2026-10-06 hep-ph
Cannibalism's lingering imprint on the matter power spectrum
早期的宇宙可能包含内部热化的暗区,这些暗区与标准模型脱钩。在这种情况下,由暗区中最轻的粒子组成的残余黑暗热浴,可以在大爆炸核合成之前引起早期物质统治的时代,这对最小的暗物质结构具有潜在的可观察影响。这种最轻的暗粒子可以很容易地和一般地具有改变数量的自相互作用,从而产生“食人”行为。我们认为宇宙学最初次占主导地位的食人族物种来暂时驱动宇宙的膨胀,我们提供了一个简单的地图之间的粒子性质的食人族物种和增强的暗物质扰动增长在这样的宇宙学的关键特征。我们进一步证明,食人族的自我相互作用可以确定小规模的截止在物质功率谱,即使食人族的自我相互作用冻结之前食人族的统治。
2022-10-13 astro-ph.CO hep-ph
Limits on Kaluza-Klein Portal Dark Matter Models
本文重新审视了半径稳定的 Randall-Sundrum 模型中暗物质场景的现象学,发现 spin-2 KK 暗物质门户模型受到高度限制,标量暗物质模型被排除,而费米子和矢量暗物质模型在特定参数空间内仍具可行性。
2025-04-30 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
(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。
2018-10-04 astro-ph.CO hep-ph
Constraints on the extra dimension from KK gravitino decay
我们研究引力子衰变为暗物质的后果。我们假设最轻的中性伴子是暗物质的主要成分。在我们的框架中,引力子足够重,可以在大爆炸核合成开始之前衰变。我们考虑一个模型来自一个在$S^1/Z_2$上紧化的五维超引力,其中重力在体积上,物质在轨道不动点处定位在无张力膜上。我们要求热产生的和在卡鲁扎-克莱因引力子衰变模式中产生的暗物质具有与观测相符的丰度。从我们的模型中我们可以推断出额外维度的大小与宇宙膨胀后的再加热温度之间存在着约束曲线。本演讲基于将在\PRD上发表的hep-ph/0702183。
2007-06-28 hep-ph
Scale Invariant FIMP Miracle
在经典标度不变理论中研究了矢量暗物质的冻结产生,其中标准模型(SM)被加有阿贝尔$U(1)_X$规范对称性,该规范对称性由于在$U(1)_X$规范下带电标量的非零真空期望值(VEV)而自发破缺.在单圈水平上产生SM Higgs质量,在暗区只留下两个参数,即DM质量$m_X$和规范耦合$g_X$作为独立参数,并补充一个自然亮暗标量粒子。我们表明,对于$g_X\sim\mathcal{O}\left(10^{-5}\right)$,有可能在早期宇宙中产生DM X,满足观测到的$m_X\sim\mathcal{O}\left(\text{TeV}\right)$的残余丰度,这反过来又决定了标量混合角$\sin θ\sim\mathcal{O}\left(10^{-5}\right)$。这种自然光标量介体与SM的微小混合的存在为在直接搜索实验中探索该模型开辟了可能性,否则该模型对标准冻结场景不敏感。此外,我们表明,即使有这种微弱的耦合,必要的DM冻结,该方案是可测试的几个亮暗部门的搜索(例如,在DUNE和FASER-II中),满足来自观测到的遗迹丰度以及大爆炸核合成(BBN)的约束。特别是,我们发现,$m_X$ $\gtrsim 1.8$ TeV的参数空间的区域是不敏感的直接检测探针,但仍然可以成为访问寿命前沿搜索,礼貌的基本尺度不变性的理论。
2022-01-29 hep-ex hep-ph
The hot Hagedorn Universe
在哈格多恩温度和统计自助模型(SBM)的500周年的背景下,我们提出了一个简短的说明,这些见解如何与热大爆炸模型(BBM)的建立相吻合,并帮助解决了一些早期的哲学难题。然后,我们把注意力转向今天的背景下,并显示在早期阶段的强相互作用夸克和胶子自由度的主导地位,有助于表征热宇宙的属性。本文重点介绍了当前关于宇宙微波背景(CMB)温度涨落的实验研究成果,进一步加深了对中微子冻结过程的理解,从而为建立早期宇宙中的夸克-胶子等离子体(QGP)物理与QCD晶格的直接联系以及研究实验室中形成的QGP的性质铺平了道路。
2016-04-29 hep-ph
AdS/CFT as classical to quantum correspondence in a Virtual Extra Dimension
经典的额外的维几何和量子行为之间的对应关系,典型的AdS/CFT,有一个启发式的半经典解释波动力学和相对论几何动力学。我们注意到,实际上,普通粒子的量子递归进入了形式对偶的运动方程,具有卡鲁扎-克莱因理论的额外维动力学。在一般的相互作用方案中,粒子的运动学可以被描述为时空递归的调制,并被编码在相应的几何动力学中。量子化可以通过边界条件半经典地获得,因此与所产生的递归相关的具有不同缠绕数的经典路径的干涉可以由普通的费曼路径积分来描述。这种描述适用于夸克-胶子-等离子体冻结产生的AdS/QCD现象学的基本方面。
2013-09-10 hep-ph hep-th physics.gen-ph