利用轻 mediator 探测非弹性暗物质的天体物理探针

我们考虑一个非弹性暗物质模型，其中费米子在一个破缺的 U(1) 规范对称性下带电，并引入一个微小的马约拉纳质量项将费米子劈裂为两个态，其中较轻的态作为暗物质候选者。若规范玻色子较轻，它可以在暗晕中介导弹性和非弹性暗物质自相互作用，从而产生可观测的后果。利用基于分波分析的数值技术，我们精确计算了弹性和非弹性自散射截面。我们假设热冻结情形，并利用遗迹密度约束固定规范耦合常数。随后，我们聚焦于六个暗物质基准质量，覆盖从 $10~{\rm MeV}$ 到 $160~{\rm GeV}$ 的宽广范围，并标出单位质量弹性散射截面处于 $1~{\rm cm^2/g} - 5~{\rm cm^2/g}$ 的参数区域，该区域有利于解决冷暗物质的小尺度问题。若重态可衰变到轻态和一个无质量粒子，非弹性上散射过程可冷却暗晕并导致核坍缩。利用具有暗物质密度核证据的星系，我们进一步推导了对参数空间的约束。对于低于 $10~{\rm GeV}$ 的暗物质质量，质量劈裂必须足够大以在矮晕中禁止上散射，从而规避核坍缩约束；而对于更高质量，上散射过程仍可被允许。我们的结果表明天体物理观测可为具有大弹性和非弹性自相互作用的暗物质模型提供强有力的检验。