暗物质–重子散射的Boltzmann-Fokker-Planck形式体系
宇宙学与河外天体物理
2019-02-22 v2
摘要
线性宇宙学可观测量，如宇宙微波背景（CMB）或物质的大尺度分布，长期以来被用作探测暗物质（DM）与重子相互作用的洁净探针。为标准起见，将DM建模为具有热麦克斯韦–玻尔兹曼（MB）速度分布的理想流体，以计算与这些探针相关的热量与动量交换率。该近似仅适用于DM自相互作用频繁到足以有效重分布DM速度的极限。它不能准确描述弱自相互作用粒子，其一经与重子退耦，速度分布便不可避免地偏离MB。本文提出准确建模DM–重子散射所需的新形式体系，即便DM自相互作用可忽略时也适用。理想流体方程被DM相空间分布的碰撞Boltzmann方程取代。碰撞算符由Fokker-Planck算符近似，其构造可恢复精确的热量与动量交换率，并允许高效的数值实现。给出了背景演化的数值解，显示MB近似会高估热量交换率达约2–3倍，尤其对轻DM粒子。推导了扰动的Boltzmann-Fokker-Planck层级。这一新形式体系允许探索更广的DM模型范围，并将对即将到来的超高灵敏度CMB探针尤其重要。
引用
@article{arxiv.1811.09903,
title = {Boltzmann-Fokker-Planck formalism for dark-matter--baryon scattering},
author = {Yacine Ali-Haïmoud},
journal= {arXiv preprint arXiv:1811.09903},
year = {2019}
}
备注
18 pages, 3 figures. Version accepted for publication in PRD after minor additions