暗物质-重子散射精确背景碰撞玻尔兹曼方程的数值解
宇宙学与河外天体物理
2022-12-02 v2
摘要
线性宇宙学可观测量可用于探测暗物质(DM)与重子的弹性散射。高精度数据的可用性要求对可能影响约束精度的任何假设进行批判性重估。约束复合前 DM-重子散射的标准形式基于假设 DM 的麦克斯韦-玻尔兹曼(MB)速度分布。该假设并非总成立，且不允许在 DM 与重子相互作用之外探测 DM 自相互作用。解除 MB 假设需要求解完整的碰撞玻尔兹曼方程(CBE)，这极为非平凡。早期工作提出了对 CBE 更易处理的 Fokker-Planck (FP) 近似，但其精度未知。本工作中，我们首次在均匀膨胀背景中数值求解了精确 CBE。我们考虑相对于相对速度为正幂律的 DM-重子散射截面。我们推导了各向同性微分散射截面情形下碰撞算符的解析表达式。随后数值求解背景 CBE，并利用所得 DM 速度分布计算 DM-重子热交换率，与 MB 假设和 FP 近似所得结果比较。在广泛的 DM 与重子质量比范围内，我们发现 FP 近似导致最大 17% 的误差，显著优于 MB 假设引入的高达 160% 的误差。尽管我们的结果严格仅适用于背景演化，FP 近似的精度很可能延续至扰动。这促使将其实现到宇宙学玻尔兹曼代码中，以取代精度差得多的 MB 假设，并允许更一般地探索 DM 与重子及自身的相互作用。
引用
@article{arxiv.2205.05536,
title = {Numerical solution of the exact background collisional Boltzmann equation for dark matter-baryon scattering},
author = {Suroor Seher Gandhi and Yacine Ali-Haïmoud},
journal= {arXiv preprint arXiv:2205.05536},
year = {2022}
}
备注
Accepted for publication in the Physical Review D; 19 pages, 4 figures