冷暗物質生成：脈衝定時陣列信號下的暗物質和重子不對稱

核心概念

在脈衝定時陣列信號的背景下，我們提出了一個機制來同時產生觀測到的重子不對稱和非熱暗物質。這個機制利用了暗部門的強烈超冷相變，在此過程中產生了暗部門的數量不對稱，並通過中子門戶相互作用將其轉移到可見部門。這自然地導致了正確的非熱暗物質豐度，其自相互作用強度恰好可以解決銀河系旋轉曲線的多樣性問題。

摘要

本文提出了一個冷暗物質生成的機制,以解釋最近脈衝定時陣列(PTA)實驗觀測到的納赫茲引力波信號。作者認為,這一信號可能源於暗部門中的強一階相變。這種強烈的超冷相變會導致任何先前產生的重子不對稱和暗物質能量密度被指數稀釋。

作者提出了一種"冷暗物質生成"的機制來解決這一問題。在相變期間,暗部門的SU(2)D希格斯場經歷了快速質量變化,導致長波長模式的非熱激發。這些模式在SU(2)D規範場的存在下,通過改變Chern-Simons數而產生了暗部門的數量不對稱。這一暗部門不對稱通過中子門戶相互作用被轉移到可見部門,從而產生了觀測到的重子不對稱。

此外,這一機制自然地導致了正確的非熱暗物質豐度,其自相互作用強度恰好可以解決銀河系旋轉曲線的多樣性問題。暗物質的直接探測實驗和LHC上的單噴射搜索將進一步限制這一模型的可行性。

統計資料

相變臨界溫度Tc約為1 GeV量級。
相變核化溫度Tn約為Tc的5-7倍,導致強烈的超冷。
相變潛熱釋放因子α遠大於1,表示強烈的相變。
相變逆時間長度因子β/H(Tn)約為4,避免了過量原初黑洞的產生。

引述

"在相變期間,暗部門的SU(2)D希格斯場經歷了快速質量變化,導致長波長模式的非熱激發。"
"這一暗部門不對稱通過中子門戶相互作用被轉移到可見部門,從而產生了觀測到的重子不對稱。"
"此外,這一機制自然地導致了正確的非熱暗物質豐度,其自相互作用強度恰好可以解決銀河系旋轉曲線的多樣性問題。"

從以下內容提煉的關鍵洞見

Cold Darkogenesis: Dark Matter and Baryon Asymmetry in Light of the PTA Signal

by Kohei Fujiku... 於 arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2406.12956.pdf

深入探究

如何在實驗上進一步驗證這一冷暗物質生成機制?

要在實驗上進一步驗證冷暗物質生成機制，首先可以通過高能粒子對撞機（如大型強子對撞機LHC）進行單噴流（mono-jet）搜索，這可以檢測到與暗物質相關的粒子產生的信號。根據文獻，這一模型預測了暗物質與標準模型粒子之間的相互作用，特別是通過中子通道的有效運算子，這可以在高能對撞中被探測到。此外，暗物質直接探測實驗（如PandaX和DarkSide系列）也能提供關鍵數據，這些實驗旨在測量暗物質與普通物質的相互作用，特別是在O(1-10) GeV的質量範圍內。這些實驗的結果將有助於驗證冷暗物質生成機制的可行性，並進一步限制模型參數。

如果暗部門沒有CP破壞,是否仍然可以產生觀測到的重子不對稱?

如果暗部門沒有CP破壞，則在生成重子不對稱的過程中將面臨挑戰。根據文獻，重子不對稱的生成依賴於CP破壞的存在，這是滿足Sakharov條件的必要條件之一。CP破壞允許在暗部門中產生淨的暗數不對稱，然後通過有效的運算子將這一不對稱轉移到可見部門，從而產生觀測到的重子不對稱。如果缺乏CP破壞，則可能無法有效地生成足夠的暗數不對稱，從而影響重子不對稱的產生。因此，CP破壞在這一冷暗物質生成機制中是至關重要的。

這一模型是否可以與解決其他宇宙學問題(如宇宙學常數、銀河系小尺度結構等)相結合?

這一冷暗物質生成機制模型有潛力與其他宇宙學問題相結合。例如，模型中提到的強自相互作用的暗物質可以解決銀河系小尺度結構問題，因為這種自相互作用可以改善星系旋轉曲線的多樣性，從而解釋觀測到的現象。此外，該模型的暗物質組成和相互作用特性可能與宇宙學常數問題相關，因為暗物質的性質和行為可能影響宇宙的膨脹動力學。通過進一步的理論發展和實驗驗證，這一模型可能成為解釋多個宇宙學問題的統一框架，從而促進對宇宙結構和演化的更深入理解。