标量场涨落与暗物质产生

最简单的暗物质候选者是一种稳定的标准模型之外的标量单极场。如果其质量在膨胀期间低于哈勃尺度，该标量的长程涨落将在膨胀期间被激发，其随后的演化可能导致暗物质的正确余弘密度。在本工作中，我们对标量的演化进行了全面分析。我们考察了三种情况：（1）非相互作用的致密标量；（2）形式为 $\lambda_\chi \chi^p$ 的自相互作用致密标量；（3）通过形式为 $\sigma_{n,m} \phi^n \chi^m$ 的相互作用项将标量耦合到气体场。我们假设其与引力的最低耦合，并将这些结果与由单引力交换产生的短程模式产生进行比较。我们在再热阶段跟踪其演化。我们的发现总结为 $(m_\chi, T_{\rm RH})$ 参数平面，其中 $m_\chi$ 为标量场质量，$T_{\rm RH}$ 为膨胀后再热温度。非相互作用的标量受到严格限制，要求 $m_\chi > 3 \times 10^{12}~\rm {GeV}$ 且 $T_{\rm RH} \lesssim 7~\text{TeV}$ 才能实现具有二次势型最小值的膨胀模型。然而，若包含自相互作用或与气体场的耦合， 可行参数空间将大幅扩大。在这些情况下，亚 GeV 乃至亚 eV 级的标量质量可产生正确的余弘密度，为轻型暗物质候选者开辟了新可能性。在所有情况下，我们还施加来自等温涨落产生、防止标量场触发二次膨胀以及标量浓缩物碎片化的额外约束。