超相对论 regime 下冻结产生暗物质

当暗物质粒子在早期宇宙中仅与等离子体组分微弱相互作用时,它们永远无法达到热平衡。与暗物质丰度在 $T \ll M$ 处确定的冻结退出机制相反,弱相互作用态的能量密度在 $T \gtrsim M$ 上建立并增加。在这项工作中,我们探讨高温 regime 对暗物质产生率的影响,其中暗物质与标准模型粒子均为超相对论性且近乎类光。在此设定下,多次软散射以及 $2 \to 2$ 过程被发现对产生率有巨大贡献。在我们本文考虑的模型中,即质量为 $M$ 的 Majorana 费米子暗物质伴有一个更重的标量——质量分裂为 $\Delta M$——其与可见 sector 共享相互作用,当忽略高温动力学时,能量密度可能被严重低估。我们发现,总体而言,对暗物质产生的有效 $1 \leftrightarrow 2$ 和 $2 \to 2$ 高温贡献,相对于使用真空质量与矩阵元的 Born 产生率,对于 $\Delta M /M =0.1$($\Delta M /M =10$)给出 $\mathcal{O}(10)$(20%)的修正。我们还评估了在超 WIMP 机制背景下,束缚态效应对重标量晚期湮灭的影响。