Freeze-in $SU(2)$ vector dark matter at low reheating temperature

Resumen Técnico: Materia Oscura Vectorial SU(2) de Congelación en Temperatura de Recalentamiento Baja

Problema y Motivación
El paradigma estándar para las Partículas Masivas de Interacción Débil (WIMP) se basa en la congelación térmica, pero los resultados nulos de las búsquedas directas, indirectas y en colisionadores han restringido significativamente este escenario. Por el contrario, el mecanismo de "congelación" (freeze-in), donde la Materia Oscura (DM) se produce mediante acoplamientos extremadamente débiles ($\lesssim 10^{-10}$) que impiden el equilibrio térmico, ofrece una alternativa. Sin embargo, los modelos convencionales de congelación son notoriamente difíciles de probar experimentalmente debido a estos acoplamientos diminutos. Además, la suposición de una densidad inicial de DM despreciable es cada vez más cuestionada.

Estudios recientes sugieren que la suposición de acoplamientos suprimidos puede relajarse si la temperatura de recalentamiento ($T_{RH}$) del universo temprano es suficientemente baja ($T_{RH} < m_{DM}$). En tal cosmología de baja $T_{RH}$, la producción de DM está suprimida por Boltzmann ($\sim \exp(-m_{DM}/T_{RH})$), requiriendo acoplamientos de DM más grandes para lograr la abundancia de relicto observada. Este trabajo investiga este régimen específico en el contexto de un modelo de materia oscura vectorial (VDM) no abeliano $SU(2)_{HS}$, contrastándolo con modelos abelianos $U(1)_X$.

Marco del Modelo
Los autores proponen una extensión mínima más allá del Modelo Estándar (BSM) que presenta:

1. Sector de Gauge Oculto: Una simetría de gauge no abeliana $SU(2)_{HS}$ bajo la cual las partículas del Modelo Estándar (SM) son singletes. Este sector contiene tres bosones de gauge de espín 1, $X_i$ ($i=1,2,3$), que sirven como candidatos a DM.
2. Sector Escalar: Un doblete escalar BSM $\phi$ cargado bajo $SU(2)_{HS}$ y un singlete bajo el SM. El valor esperado en el vacío (VEV) de $\phi$ rompe espontáneamente $SU(2)_{HS}$, generando una masa común $m_X = \frac{1}{2}g_\phi v_\phi$ para los tres bosones vectoriales.
3. Mecanismo de Estabilidad: A diferencia de los modelos abelianos que requieren una simetría $Z_2$ ad hoc para garantizar la estabilidad y prohibir la mezcla cinética, el patrón de ruptura de $SU(2)_{HS}$ deja una simetría accidental custodio $SO(3)$. Esta simetría asegura que los tres estados vectoriales permanezcan degenerados en masa y estables, ya que las interacciones ocurren solo mediante combinaciones singlete de $SO(3)$ (por ejemplo, $X^a_\mu X^{a\mu}$), prohibiendo vértices de desintegración de partícula única.
4. Interacción Portal: La DM interactúa con el SM a través de un portal de Higgs. Los componentes escalares CP-pares del Higgs del SM ($S$) y el escalar oculto ($\phi^0$) se mezclan con un ángulo $\beta$, produciendo estados propios de masa físicos $h$ (identificado con el Higgs del SM de 125 GeV) y $\eta$.

Metodología
La producción de DM se analiza en el régimen de baja $T_{RH}$ donde $T_{RH} < m_{DM}$. La evolución de la densidad numérica comóvil $Y_X$ se determina resolviendo la ecuación de Boltzmann, que incluye:

• Canales de Aniquilación: $f\bar{f} \to XX$, $VV \to XX$ (donde $V=W,Z$), y aniquilaciones escalares ($hh, \eta\eta, h\eta \to XX$) mediadas por $h$ y $\eta$.
• Canales de Desintegración: Desintegraciones de escalares $h, \eta \to XX$ (cinemáticamente permitidas cuando $2m_X \le m_{escalar}$).
• Supresión Térmica: La integración sobre la distribución térmica está dominada por la cola de alta energía cuando $T < m_{DM}$, lo que conduce a una supresión exponencial de la tasa de producción.

Los autores realizan escaneos numéricos sobre el espacio de parámetros definido por la masa de la DM ($m_{DM}$), el acoplamiento de gauge ($g_\phi$), el ángulo de mezcla escalar ($\sin \beta$) y la masa del escalar pesado ($m_\eta$). Calculan la abundancia de relicto $\Omega h^2$ y la comparan con el valor observado ($0.12$).

Resultados Clave y Restricciones

1. Acoplamiento vs. Temperatura de Recalentamiento: El estudio confirma que para $T_{RH} < m_{DM}$, el acoplamiento de gauge requerido $g_\phi$ es significativamente mayor que en los escenarios estándar de congelación. Por ejemplo, para satisfacer la densidad de relicto con $m_{DM} \sim 100$ GeV y $T_{RH} = 5$ GeV, se requiere un acoplamiento de $g_\phi \sim \mathcal{O}(10^{-1})$, en comparación con $\mathcal{O}(10^{-10})$ en la congelación estándar.
2. Efecto de Multiplicidad: El modelo $SU(2)_{HS}$ presenta tres componentes degenerados de DM. La abundancia total de relicto es $Y_{DM} = 3Y_X$. Esta multiplicidad permite que el modelo satisfaga la densidad de relicto observada con un acoplamiento individual ligeramente menor en comparación con un modelo de un solo componente $U(1)_X$, abriendo así un espacio de parámetros viable más amplio.
3. Detección Directa: Los acoplamientos mejorados en el régimen de baja $T_{RH}$ sitúan al modelo dentro del rango de sensibilidad de los experimentos actuales y futuros de detección directa.
   • Límites Actuales: Una parte significativa del espacio de parámetros ya está excluida por los experimentos LZ 2024 y PandaX-4T, particularmente para masas de DM más bajas.
   • Perspectivas Futuras: A pesar de estas restricciones, permanece una región viable, en gran medida por debajo del "suelo de neutrinos", accesible a futuros experimentos como DARWIN.
   • Comparación: El modelo $SU(2)_{HS}$ permite masas de DM ligeramente más altas para evadir los límites actuales de detección directa en comparación con los modelos de un solo componente (por ejemplo, hasta 92 GeV frente a 89 GeV para $T_{RH}=5$ GeV en el punto de referencia específico analizado).
4. Detección Indirecta: Se analizan las restricciones de Fermi-LAT y AMS sobre el canal de aniquilación $XX \to W^+W^-$. El estudio encuentra que los límites de detección indirecta son significativamente más débiles que los límites de detección directa para el espacio de parámetros que satisface la densidad de relicto.
5. Consistencia Teórica: Los parámetros del modelo están restringidos por la unitariedad perturbativa, la estabilidad del vacío y los límites de colisionadores (específicamente anchos de desintegración invisible del Higgs y fuerzas de señal).

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que la interacción entre una temperatura de recalentamiento baja y un sector oculto no abeliano ofrece un escenario de materia oscura distinto y comprobable. La significancia principal radica en:

• Comprobabilidad: Al invocar una baja $T_{RH}$, el modelo desplaza los acoplamientos requeridos del régimen "débil" incomprobable a un régimen "considerable", haciendo que la DM sea descubrible en experimentos de detección directa de próxima generación.
• Ventaja Estructural: La estructura no abeliana $SU(2)_{HS}$ proporciona naturalmente estabilidad mediante simetría custodio sin simetrías discretas ad hoc y mejora el espacio de parámetros viable a través de la multiplicidad de tres estados de DM degenerados.
• Puente de Paradigmas: Este escenario cierra la brecha entre los espacios de parámetros de la congelación térmica y la congelación estándar, ofreciendo una nueva vía viable para el origen de la DM que es consistente con los resultados nulos actuales pero predictiva para búsquedas futuras.

Los autores concluyen que, aunque las estrictas restricciones de detección directa excluyen partes del espacio de parámetros, permanece una región significativa viable y comprobable, destacando la importancia de considerar temperaturas de recalentamiento bajas en la construcción de modelos de DM.