约束暗物质的非热与热性质

我们描述了在瞬时再加热假设下，暗物质 (DM) 丰度从其由暴胀子衰变产生之初开始的演化过程。基于初始条件（如暴胀子质量及其衰变到暗物质的分支比、再加热温度、暗物质质量及其与热浴的相互作用率），暗物质粒子在其演化历史中可能与原初热浴发生热化（完全/部分），或始终保持非热状态。在热化情形下，对于大的湮灭率，最终丰度由标准的冻结出机制决定，而与初始条件无关；对于较小的湮灭率，若初始丰度很小，则由冻结入机制决定，同样独立于初始丰度；对于更小的相互作用率，暗物质在非热状态下退耦，其遗迹丰度基本上由初始条件决定。通过精确求解相关的 Boltzmann 方程，我们就超丰度问题对暗物质质量和湮灭率给出了模型无关的限制，并确定了允许参数空间中的热冻结出、冻结入和非热区域。我们强调了一个普遍事实：暴胀子衰变为暗物质不可避免地会导致大范围暗物质参数空间下的宇宙过闭合，因此在构建暗物质模型时必须考虑这一严格限制。对于热暗物质区域，我们还展示了来自间接暗物质搜索实验、大爆炸核合成、宇宙微波背景、Planck 测量以及 S-矩阵幺正性理论限制的互补约束。对于非热暗物质情景，我们展示了给定再加热温度下以暴胀子和暗物质质量表示的允许参数空间，并计算了共动自由流长度以识别热、温及冷暗物质区域。