非标准宇宙学中的自相互作用暗物质

$\Lambda {\rm CDM}$模型与小尺度宇宙学观测的分歧以及直接探测实验的严格约束，令典型的弱尺度冷暗物质候选者（如WIMP）受到质疑。自相互作用暗物质(SIDM)是WIMP极具前景的替代方案，其不仅缓解$\Lambda {\rm CDM}$模型的小尺度反常，也符合高度精确的大尺度$\Lambda {\rm CDM}$预言。小尺度反常可由自散射截面$\sigma/m_{DM} \sim 1 cm^2/gm$解决。如此大的截面可在具有MeV尺度轻媒介子与可观耦合的DM模型中实现。我们假定DM为Dirac费米子，媒介子为轻标量或矢量玻色子。在标准宇宙学历史中，此类模型的一个主要问题是通过热冻结实现正确暗物质遗迹密度，因为DM高效湮灭为轻媒介子并以不足丰度的遗迹告终。然而我们表明，若在SIDM冻结时期宇宙膨胀率非辐射主导(RD)，其遗迹丰度将显著增强。我们通过引入早期宇宙中非辐射类组分假定宇宙的非标准膨胀历史。在此情形下，DM在更早时期冻结，导致DM丰度增强，可通过合适模型参数与正确遗迹密度匹配。轻媒介子也可耦合至SM媒介子，为地面实验室探测SIDM提供途径。媒介子间混合可由直接探测实验数据约束。我们考量相关现象学与实验约束，找出通用SIDM模型的可行参数空间。