Wie werden die Thermalisierungsraten der Dunklen Materie (DM) im Singulett-DM-Modell abgeleitet?

Dieses vielzitierte Papier spricht über eine minimale renormierbare Erweiterung des Standardmodells (SM), um dunkle Materie (DM) durch Hinzufügen eines echten Skalarfelds darin zu integrieren S die (im Gegensatz zum Higgs-Dublett H ) ist ein Singlet unter der vollen SM-Gauge-Gruppe. Aber wir müssen einen Preis zahlen, wir müssen drei weitere freie Parameter in die Theorie einführen (zusätzlich zu denen, die bereits im Standardmodell vorhanden sind): (i) die Masse des neuen Skalars M 0 , (ii) dimensionslose Selbstkopplung des Skalars λ S , und (iii) eine dimensionslose Kopplung an das Higgs λ .

Der leistungszählende renormierbare Lagrange des Modells ist daher

(1) L = L S M + 1 2 ( ∂ μ S ) 2 − 1 2 M 0 2 S 2 − 1 4 λ S S 4 − λ S 2 ( H † H ) .

Frage 1 Es wird angenommen, dass sich das DM bei Temperaturen in der Größenordnung im thermischen Gleichgewicht befand M 0 und darüber. Ist das eine Ad-hoc-Annahme? Warum mussten die Autoren diese Annahme treffen?

Frage 2 Es wird auch davon ausgegangen, dass die Thermalisierungsrate variiert wie ∼ λ 2 T für T ≫ M H Und ∼ λ 2 T 5 M H − 4 für T ≪ M H Wo M H ist die Higgs-Masse. Wie leiten sie diese Thermalisierungsraten ab?

Alles, was ich weiß, ist, dass sich die Dichte der dunklen Materie wie in der folgenden Abbildung entwickelt (von hier entnommen ).Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Querschnitt der Wechselwirkung von Dunkler Materie mit gewöhnlicher Materie wird bestimmen, wann sie im frühen Universum aus dem Gleichgewicht mit gewöhnlicher Materie gerät. Dies hängt vom Wert ab λ in Ihrem Lagrange.
@Virgo Meine Frage lautet: "Was ist die Notwendigkeit, davon auszugehen, dass die DM im Gleichgewicht war? M 0 " in ihrer Zeitung? Wo haben sie es verwendet?
Warum interagieren und äquilibrieren die S- Teilchen angesichts dieser Lagrange-Funktion nicht weiter mit Quarks und Leptonen über den Austausch virtueller Higgsons? Du könntest machen λ willkürlich schwach, aber das wäre künstlich.

Antworten (1)

Ich bin kein Experte auf diesem Gebiet und würde gerne von anderen korrigiert werden. Dies ist auch die Antwort auf Frage 1. Aber hier ist mein heuristisches Verständnis. Es kann argumentiert werden, dass es sich um eine Spezies aus dunkler Materie handelt ξ weiterhin im thermischen Gleichgewicht bis in die Gegenwart, seine Fülle

N ξ S ∼ ( M ξ T ) 3 / 2 e − M ξ / T
wäre vernachlässigbar gewesen und entgegen der Beobachtung würden wir keine nennenswerte Reliktfülle finden. Daher die Spezies der Dunklen Materie ξ muss sich irgendwann (oder Temperatur) von der kosmischen Therme entkoppelt haben. Um die gewünschte Reliktdichte zu erreichen, muss die ξ sollte bei einer Temperatur ausfrieren, die nicht viel niedriger ist als die Masse der Dunklen Materie M ξ . Daher ist es vernünftig, dies für Temperaturen anzunehmen ∼ M ξ und darüber ξ war im Gleichgewicht. Die erste gestrichelte Linie in der Figur zeigt, dass das Ausfrieren bei einer Temperatur von etwa auftritt M ξ 20 , und blieb im Gleichgewicht um T ∼ M ξ und darüber. Nehmen wir stattdessen an, dass die Dunkle Materie in einem bestimmten Ausmaß vom Gleichgewicht abweicht M ξ 30 , seine Fülle wird im Vergleich zu dem, was es war, als die Abfahrtsskala war, abnehmen M ξ 20 .

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