Scalar dark matter production from preheating and structure formation constraints
Scalar dark matter production from preheating and structure formation constraints
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预热和结构形成约束下的标量暗物质产生
DOI：
10.1103/physrevd.107.043530
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发表时间：
2022
影响因子：
5
通讯作者：
S. Verner
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
M. A. Garcia;M. Pierre;S. Verner
我们研究了在暴胀和再加热过程中从暴胀子凝聚体中产生标量暗物质的非平衡过程。我们假设这个标量耦合只通过直接的四次耦合暴胀子和最低限度地耦合到重力。我们考虑所有可能的生产制度：纯引力，弱直接耦合（微扰），和强直接耦合（非微扰）。对于每一个政权，我们使用不同的方法来确定暗物质相空间分布和相应的遗迹丰度。对于纯引力体系，标量暗物质量子在暴胀过程中被大量激发，导致红外（IR）占主导地位的分布函数和残余丰度，当再加热温度T reh>34 GeV $时，这些残余丰度覆盖宇宙。一个非零的直接耦合诱导的有效DM质量和抑制有利于紫外（UV）模式和最小的标量丰度的大IR模式时，产生的直接和引力耦合之间的干扰是最大的。对于大的直接耦合，反反应的暴胀凝聚占通过使用Hartree近似和晶格模拟技术。由于标量DM候选人可以表现为非冷暗物质，我们估计这些物种的物质功率谱的影响，并从莱曼-$\alpha$测量得出相应的约束。我们发现，它们对应于DM质量的下限为$\gtrsim 3\times 10^{-4} \，\rm{eV}$的纯引力产生，和$\gtrsim 20 \，\rm {eV}$的直接耦合产生。我们讨论了这些结果的影响。
We investigate the out-of-equilibrium production of scalar dark matter (DM) from the inflaton condensate during inflation and reheating. We assume that this scalar couples only to the inflaton via a direct quartic coupling and is minimally coupled to gravity. We consider all possible production regimes: purely gravitational, weak direct coupling (perturbative), and strong direct coupling (non-perturbative). For each regime, we use different approaches to determine the dark matter phase space distribution and the corresponding relic abundance. For the purely gravitational regime, scalar dark matter quanta are copiously excited during inflation resulting in an infrared (IR) dominated distribution function and a relic abundance which overcloses the universe for a reheating temperature $T_\text{reh}>34 ~\text{GeV}$. A non-vanishing direct coupling induces an effective DM mass and suppresses the large IR modes in favor of ultraviolet (UV) modes and a minimal scalar abundance is generated when the interference between the direct and gravitational couplings is maximal. For large direct couplings, backreaction on the inflaton condensate is accounted for by using the Hartree approximation and lattice simulation techniques. Since scalar DM candidates can behave as non-cold dark matter, we estimate the impact of such species on the matter power spectrum and derive the corresponding constraints from the Lyman-$\alpha$ measurements. We find that they correspond to a lower bound on the DM mass of $\gtrsim 3\times 10^{-4} \, \rm{eV}$ for purely gravitational production, and $\gtrsim 20 \, \rm {eV}$ for direct coupling production. We discuss the implications of these results.
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