Warum sollten wir dunkle Materie mit schwachen Skalenmassen erwarten?

Das WIMP-Wunder wird oft verwendet, um WIMPs zu motivieren: dass ein WIMP mit einer schwachen Masse nach dem Urknall mit der richtigen Relikthäufigkeit auf natürliche Weise aus dem thermischen Gleichgewicht gefriert. Ich verstehe den "schwach wechselwirkenden" Teil des "Wunders" - das SM enthält einen schwachen Wechselwirkungsquerschnitt - aber ich verstehe nicht, warum die "schwache Masse" so ein Zufall ist. Es wäre nur ein Zufall, wenn wir einen generischen unabhängigen Grund hätten, Teilchen auf der schwachen Skala zu erwarten. Tun wir? 100 GeV scheinen schwach wechselwirkenden Teilchen nicht eigen zu sein (schließlich sind Neutrinos schwach wechselwirkend und sie sind ziemlich weit von 100 GeV entfernt).

BEARBEITEN : Hinzufügen von zwei Quellen, die miteinander in Konflikt zu stehen scheinen, um die Quelle meiner Verwirrung zu erklären.

Auf Seite 9 von Ref. 1, Feng sagt uns, dass die thermische Reliktdichte proportional zu ist M 2 / G 4 , wobei m die WIMP-Masse und G die Selbstkopplung ist. Das WIMP-Wunder funktioniert also nur für ~100-GeV-Teilchen mit schwacher Kopplung.

Aber auf Seite 221 von Ref. 2, von Jungman et al, wird uns gesagt, dass die thermische Reliktdichte unabhängig von der WIMP-Masse ist.

Beide Papiere stammen von Experten auf diesem Gebiet und sind ziemlich maßgeblich. Meine Frage ist also, wer hat recht? Oder haben beide recht und was verstehe ich falsch?

Verweise:

  1. JL Feng, Nicht-WIMP-Kandidaten , arXiv:1002.3828 .
  2. G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest, Supersymmetric dark matter , Phys. Rep. 267 (1996) 195–373 , PDF .
Es wird eine ausreichend große Masse benötigt, um als Dunkle Materie zu fungieren. Die Neutrinos des Standardmodells sind zu leicht, um zu den Beobachtungen zu passen.
@anna v, ich verstehe, dass dunkle Materie nicht heiß sein kann, aber das ist vermutlich ein separater Datenpunkt, der speziell dunkle Materie im schwachen Massenbereich motiviert ...
Es muss eine ausreichend große Masse haben, um von den Gravitationsquellen der Galaxien eingefangen zu werden. Die Neutrinos reisen fast mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum und die Anziehungskraft der Schwerkraft ist zu schwach, um sie an eine Umlaufbahn um eine Galaxie zu binden, siehe den Fall für WIMPs hier astro.caltech.edu/~george/ay20/eaa-wimps-machos. pdf
@annav, Ja, ich weiß, wie gesagt, ich verstehe, dass dunkle Materie nicht heiß sein kann. Ich kenne die experimentelle Seite der Dinge. Ich frage nach dem WIMP-Wunder, einem angeblich rein theoretischen Zufall.
Um die "Breite" der schwachen Skala zu sehen, siehe en.wikipedia.org/wiki/Electroweak_scale
Beachten Sie, dass Axionen kalte dunkle Materie sind, die keine WIMPS sind. Sie sind nicht das einzige Spiel in der Stadt.

Antworten (1)

Dunkle Materie wurde postuliert, um Diskrepanzen in den Beobachtungen zu erklären

Astrophysiker stellten die Hypothese auf, dass dunkle Materie existiert, um Diskrepanzen zwischen der Masse großer astronomischer Objekte zu erklären, die aus ihren Gravitationseffekten bestimmt wird, und ihrer Masse, die aus der beobachtbaren Materie (Sterne, Gas und Staub) berechnet wird, die sie enthalten. Ihre Gravitationseffekte deuten darauf hin, dass ihre Massen viel größer sind, als die Untersuchung der beobachtbaren Materie vermuten lässt.

Um die Diskrepanz mit bekannten Teilchen zu erklären, müssten sie um die Gravitationsquellen der Galaxien herum gefangen sein, um eine neutrale Ladung zu haben und schwache Wechselwirkungen zu haben, da sie sonst durch emittiertes oder absorbiertes Licht nachgewiesen worden wären.

Das Standardmodell der Teilchenphysik hat keine schwach wechselwirkenden massiven Teilchen, die stabil sind, mit Ausnahme der Neutrinos, die eine sehr kleine Masse haben. Um alle astrophysikalischen Beobachtungen für die Existenz dunkler Materie in Einklang zu bringen, werden Ordnungsmassen der schwachen Skala oder größer postuliert. Wichtig ist der Gravitationseinfang, der große Massen benötigt.

Warum die schwache Skala als untere Grenze? denn wenn es stabile, schwach wechselwirkende Teilchen mit einer Masse in der Größenordnung von GeV oder mehreren zehn GeV gegeben hätte, hätten wir ein anderes Standardmodell gehabt, sie wären in den Teilchenphysik-Experimenten des letzten Jahrhunderts entdeckt worden.

In Erweiterungen des Standardmodells mit Supersymmetrie und in Stringtheorien werden schwere, schwach wechselwirkende Teilchen in Hülle und Fülle erwartet, und sie könnten das Problem der Dunklen Materie lösen, obwohl auch andere Alternativvorschläge existieren.

Es ist also kein Wunder, dass für WIMPS Massen von mehr als etwa 100 GeV benötigt werden. W-Bosonen und Z-Bosonen haben diese Größenordnung und wurden nachgewiesen, aber sie zerfallen. Die Argumente für das thermische Gleichgewicht und die Querschnitte werden ausgebügelt, wenn experimentell ein TeV-WIMP gefunden wird. Die Nichtbeobachtung von WIMPs in den Experimenten setzt die untere Grenze.

Ich bin mit allen experimentellen Beweisen für dunkle Materie sehr vertraut. Ich frage speziell nach dem "WIMP-Wunder" - dem angeblichen theoretischen Zufall, dass schwach abgelagerte Partikelmaterie nach dem Ausfrieren die richtige Häufigkeit thermischer Relikte ergibt.
Ich habe bearbeitet.
Das „schwache Schuppenteilchen“ kann die richtige Antwort geben. Eine höhere Skala kann auch. es ist derzeit die untere Grenze aus Teilchenphysik-Experimenten. Vielleicht überrascht uns der LHC
Sie geben immer noch keine direkte Antwort auf meine Frage, aber ich schließe aus Ihrer Antwort, dass das WIMP-Wunder Ihrer Meinung nach überhaupt kein "Wunder" ist, da die WIMP-Masse theoretisch alles sein könnte (wieder verstehe ich die experimentelle Einschränkungen).
Nichts, es gibt die untere experimentelle Grenze und die obere Grenze der Möglichkeiten von Modellen. Ich bin mir sicher, dass, wenn ein guter Kandidat entdeckt wird, sie es immer noch ein Wunder nennen werden :), selbst wenn es bei 1 TeV liegt
In einigen Ableitungen der thermischen Reliktdichte von DM berichten sie, dass der "wundersame" erforderliche Querschnitt der schwachen Wechselwirkung unabhängig von der WIMP-Masse ist, während andere ihn als m ^ 2 / g ^ 4 angeben (Wimp-Masse im Quadrat über die Kopplung an die vierte). in diesem Fall ist es nur notwendigerweise ein schwacher Wechselwirkungsquerschnitt für Massen im schwachen Maßstab (100 GeV - 1 TeV). Ich verstehe nicht, welche dieser beiden Aussagen richtig ist.
Diese Schätzungen müssen modellabhängig sein, es gibt also kein Richtig oder Falsch (es sei denn, sie haben bei den Berechnungen innerhalb des Modells einen Fehler gemacht). Bis ein erfolgreicher WIMP-Kandidat gefunden ist oder eines der Modelle von anderen experimentellen Problemen abgelehnt wird, kann keine Entscheidung getroffen werden.
Der angebliche Punkt des WIMP-Wunders ist, dass es abgesehen von der Standardkosmologie weitgehend modellunabhängig ist. Siehe zum Beispiel hier p221 für eine Aussage, dass der Querschnitt unabhängig von der WIMP-Masse ist, und p198 des Abschnitts von Feng im Buch „Particle Dark Matter“ für einen Kommentar, dass er sowohl von der WIMP-Masse als auch von der Kopplung abhängt.
Ich habe meiner ursprünglichen Frage eine Bearbeitung mit Links hinzugefügt, um die Verwirrung zu erklären. Beide in den Links verwendeten Modelle sind gleich.
In der ersten Arbeit sehe ich eine m_x**2-Abhängigkeit, in der zweiten Arbeit eine m_x-Abhängigkeit, . Ich kann die Argumente wirklich nicht durchgehen, um die beiden in Einklang zu bringen oder die Diskrepanz zu finden. Wenn es für Sie wichtig ist, sollten Sie sich einen Theoretiker suchen, der an diesem Thema arbeitet und sich mit den Arbeiten auskennt.
FYI das "WIMP-Wunder" ist ein sehr berühmtes modellunabhängiges Argument, das in den letzten Jahrzehnten verwendet wurde, um WIMP-Suchen zu motivieren. Es ist ein ziemlich allgemeines Argument, dh das sind keine zufälligen Papiere mit unabhängiger Forschung, die ich Ihnen entgegenschleudere. Aber ja, ich hoffe, ein Theoretiker kann das kommentieren.
Dies ist eine Frage an Anna - ich bin jetzt gründlich verwirrt über die Aussage "Das Standardmodell der Teilchenphysik hat keine schwach wechselwirkenden massiven Teilchen, die stabil sind, außer den Neutrinos, die eine sehr kleine Masse haben. Um alle astrophysikalischen Beobachtungen für die in Einklang zu bringen Existenz von dunkler Materie werden Massen der Ordnung der schwachen Skala oder größer postuliert. Es ist die Gravitationsfalle, die wichtig ist, die große Massen benötigt.“ - Axionen haben eine winzige Masse, gelten aber als eine der Komponenten der kalten Dunklen Materie. (Sind sie nicht?)
@Rick-Axionen sind nicht Teil des Standardmodells, siehe Tabelle en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model . hier ist eine Rezension arxiv.org/abs/1709.07091 . afaik sie sind eine der möglichen Lösungen außerhalb des aktuellen Standardmodells.