Decaying vector dark matter with low reheating temperature for KM3NeT signal and its impact on gravitational waves

Resumen Técnico: Materia Oscura de Vectores Decayentes con Baja Temperatura de Reaquecimiento para la Señal de KM3NeT y su Impacto en las Ondas Gravitacionales

Planteamiento del Problema
El artículo aborda la tensión entre la reciente detección de neutrinos de ultra alta energía por parte de la colaboración KM3NeT (específicamente el evento KM3-230213A a $\mathcal{O}(100)$ PeV) y la no observación de señales similares por parte del detector IceCube. Aunque IceCube ha detectado neutrinos hasta $\mathcal{O}(1)$ PeV, no ha observado eventos en el rango de los 100 PeV a pesar de tener un área efectiva significativamente mayor. Los autores proponen que esta discrepancia, junto con la necesidad de explicar la señal de KM3NeT, puede resolverse mediante un escenario de Materia Oscura Superpesada (SHDM, por sus siglas en inglés) en decaimiento. Sin embargo, los mecanismos estándar de congelación térmica (thermal freeze-out) tienen dificultades para acomodar la SHDM con masas en el rango de los PeV ($M_{DM} \gtrsim 10^5$ GeV) sin violar los límites de unitariedad o sobreproducir la densidad de materia oscura. Además, los escenarios cosmológicos estándar a menudo no logran producir la densidad de reliquia correcta para tales candidatos pesados sin invocar parámetros extremadamente finamente ajustados.

Metodología
Los autores proponen un nuevo modelo que extiende el sector de gauge del Modelo Estándar (SM) con una simetría de gauge abeliana $U(1)_D$ y un escalar singlete del SM $\phi_D$.

1. Construcción del Modelo: El bosón de gauge $U(1)_D$ ($W_D$) actúa como el candidato de materia oscura vectorial, adquiriendo masa mediante la ruptura espontánea de la simetría de $\phi_D$. El modelo incorpora mezcla cinética entre $U(1)_D$ y la hipercarga $U(1)_Y$ del SM, lo que permite que la materia oscura decaiga en partículas del SM (quarks, leptones y neutrinos).
2. Escenario de Reaquecimiento Bajo: Para superar el problema de la sobreabundancia de la materia oscura pesada, los autores emplean un escenario de baja temperatura de reaquecimiento. En este marco, el inflatón (con un potencial cuadrático) decae continuamente hacia el baño del SM, generando entropía. Esta inyección continua de entropía diluye la abundancia de la materia oscura producida mediante mecanismos de congelación térmica (freeze-out) o de congelación lenta (freeze-in).
3. Mecanismos de Producción: El estudio analiza tanto los mecanismos de congelación térmica (freeze-out/WIMP) como de congelación lenta (freeze-in/FIMP). El efecto de dilución permite alcanzar la densidad de reliquia correcta para masas en la escala de los PeV con acoplamientos de gauge razonables, eludiendo los límites de unitariedad que restringen la congelación térmica estándar.
4. Análisis Fenomenológico:
   • Flujo de Neutrinos: Los autores calculan el flujo de neutrinos provenientes tanto del decaimiento de la materia oscura galáctica como de la extragaláctica, utilizando el perfil NFW para la distribución galáctica y contabilizando los efectos de corrimiento al rojo para el componente extragaláctico. Utilizan el paquete HDMSpectra para generar los espectros de decaimiento.
   • Ondas Gravitacionales (GW): La ruptura espontánea de $U(1)_D$ a una escala alta genera cuerdas cósmicas. Los autores calculan el espectro de GW resultante utilizando el modelo de una escala dependiente de la velocidad (VOS). Específicamente, investigan cómo la baja temperatura de reaquecimiento (donde el factor de escala $a \propto T^{-3/8}$ durante la era dominada por el inflatón) modifica el espectro de GW en comparación con la evolución estándar dominada por radiación.
5. Herramientas: El análisis numérico se realiza utilizando micrOMEGAs (v6.2.3) para los cálculos de densidad de reliquia y HDMSpectra para los espectros de decaimiento.

Contribuciones Clave y Resultados

• Resolución de la Tensión de KM3NeT: El modelo explica con éxito la señal de KM3NeT manteniéndose consistente con los límites de IceCube. Al ajustar la masa de la materia oscura ($M_{WD} \sim 4.4 \times 10^8$ GeV), la vida media ($\tau_{WD} \sim 10^{29}$ s) y la fracción de la densidad de materia oscura ($f_{WD}$), el flujo predicho alcanza su pico en la escala de energía de KM3NeT pero permanece por debajo de los límites superiores de IceCube. Los autores señalan que para fracciones de materia oscura muy pequeñas, la señal está dominada por el componente extragaláctico, ya que la materia oscura galáctica habría decaído para la época actual.
• Densidad de Reliquia en Reaquecimiento Bajo: El estudio demuestra que el escenario de bajo reaquecimiento resuelve eficazmente el problema de la sobreproducción de la SHDM. Permite alcanzar la densidad de relacia correcta tanto mediante la congelación térmica (con acoplamientos de gauge hasta el límite perturbativo) como mediante mecanismos de congelación lenta, siempre que la temperatura de reaquecimiento sea lo suficientemente baja como para inducir una dilución de entropía significativa.
• Canales de Decaimiento: Se identifican los modos de decaimiento dominantes como $q\bar{q}$, seguidos de $l\bar{l}$ y $\nu_l\bar{\nu}_l$. El decaimiento a $W^+W^-$ está suprimido debido a la cancelación mutua de los ángulos de mezcla. Esta estructura de razón de ramificación es crucial para producir el flujo de neutrinos observado sin exceder los límites de flujo de fotones de experimentos como LHAASO-KM2A.
• Firmas de Ondas Gravitacionales: El modelo predice un fondo estocástico de GW proveniente de cuerdas cósmicas. Debido al gran valor de vacío (vev) requerido para la SHDM, la tensión de la cuerda ($G\mu$) es lo suficientemente alta como para ser potencialmente detectable por futuros experimentos (SKA, LISA, DECIGO, BBO, ET, CE).
• Supresión Espectral: Una característica distintiva del modelo es la modificación del espectro de GW a altas frecuencias. Debido a que el universo evoluciona como una era dominada por materia ($a \propto T^{-3/8}$) durante la fase de reaquecimiento en lugar de una era dominada por radiación ($a \propto T^{-1}$), el espectro de GW se ve suprimido en las frecuencias más altas. Esta supresión depende de la temperatura de reaquecimiento.

Significancia
El artículo afirma que su trabajo proporciona una explicación unificada para el evento de neutrinos de alta energía de KM3NeT y la detección potencial de ondas gravitacionales de cuerdas cósmicas dentro de un marco teórico consistente.

• Conexión Multimensajero: Vincula una anomalía específica de neutrinos de alta energía con una historia cosmológica específica del universo temprano (bajo reaquecimiento) y un modelo específico de física de partículas más allá del modelo estándar (materia oscura vectorial con mezcla cinética).
• Evolución Cosmológica: Los autores destacan que la detección del patrón de supresión específico en el espectro de GW a altas frecuencias serviría como evidencia indirecta para un periodo de reaquecimiento no estándar en el universo temprano donde el inflatón se comporta como un campo de tipo materia.
• Viabilidad de la SHDM: El trabajo demuestra que la materia oscura superpesada, a menudo considerada problemática en la cosmología estándar debido a su sobreproducción, puede ser un candidato viable si se produce en un escenario de bajo reaquecimiento con dilución de entropía.

Los autores concluyen que su modelo no solo resuelve la tensión entre los datos de KM3NeT e IceCube, sino que también ofrece predicciones probables para futuros observatorios de ondas gravitacionales, proporcionando así una vía para confirmar indirectamente la evolución no estándar en el universo temprano.