通过UV与IR冻结入产生的费米子暗物质及其可能的X射线特征

过去十年中各类直接探测实验均未观测到任何暗物质信号，这持续表明广受欢迎的WIMP范式可能并非粒子暗物质的实际理论。通过冻结入产生的非热暗物质是一个有吸引力的提议，其凭借与标准模型（SM）粒子的微弱耦合自然地解释了零结果。我们考虑对SM作最小扩充，引入两个规范单态场：一个$\mathbb{Z}_2$奇费米子$\chi$与一个赝标量$\tilde{\phi}$，其中前者仅在五维及更高维层面与SM粒子相互作用。这通过重的新物理尺度$\Lambda$引入了$\chi$相互作用的自然压低，并迫使$\chi$成为非热暗物质候选者。我们详细研究了$\chi$的产生，计入了紫外（UV）、红外（IR）以及混合UV-IR冻结入，发现对于$10^{10}{\rm GeV}\leq\Lambda\leq 10^{15}{\rm GeV}$，当再加热温度$T_{RH}\gtrsim 10^4$ GeV时，$\chi$主要由UV与混合UV-IR冻结入产生，低于此温度则产生由IR与混合冻结入主导。此外，我们考虑级联湮灭$\chi\bar{\chi} \rightarrow \tilde{\phi}\tilde{\phi}\rightarrow 4\gamma$以解释来自各类星系与星系团的长久存在的$\sim3.5$ keV X射线谱线。我们发现长寿命中间态$\tilde{\phi}$将银河系中心附近的暗物质密度修正为有效密度$\rho_{eff}$，其强烈依赖于$\tilde{\phi}$的衰变长度。最后，通过将我们的结果与XMM Newton观测到的银河系中心在$2\sigma$范围内的X射线通量比较，得到了$\Lambda-g$平面上的允许参数空间（$g$为$\chi\bar{\chi}$与$\tilde{\phi}$间的耦合）。