Freeze-in at all couplings

Resumo Técnico: Freeze-in em todos os acoplamentos

Enunciado do Problema
O artigo aborda o mecanismo de produção de matéria escura (DM) dentro do paradigma de "freeze-in", desafiando a suposição convencional de que o freeze-in requer acoplamentos extremamente fracos ("feeble") entre o setor de DM e o banho térmico do Modelo Padrão (SM). Enquanto os cenários tradicionais de freeze-in assumem uma alta temperatura de reaquecimento ($T_{rh}$) onde as interações são fracas para evitar a termalização, este trabalho investiga configurações onde o Universo reaquece para uma temperatura comparável ou inferior às escalas de massa da teoria. Nesses cenários de baixa $T_{rh}$, a produção de DM é suprimida por Boltzmann desde o início. Os autores visam determinar se um freeze-in bem-sucedido pode ocorrer com acoplamentos significativamente mais fortes nesses regimes e compreender a complexa interação entre a temperatura de reaquecimento, as massas das partículas e as forças de acoplamento.

Metodologia
Os autores analisam uma extensão específica do Modelo Padrão apresentando um campo escalar escalar escalar real de singlete de gauge $s$ (o candidato a DM) e um férmion vetorial-like $F$ (um mediador de lépton carregado). A interação é governada por acoplamentos do tipo Yukawa $y_s^\alpha$ entre $s$, $F$ e léptons à direita do SM.

A metodologia envolve:

1. Sistema de Equações de Boltzmann: Diferente das aproximações padrão que assumem que o mediador $F$ está sempre em equilíbrio térmico ou que a produção de DM provém unicamente de decaimentos, os autores resolvem um sistema acoplado de equações de Boltzmann para o rendimento de DM ($Y_s$) e o rendimento do mediador ($Y_F$). Isso permite rastrear "reações inversas" (backreactions) e a evolução não trivial da abundância do mediador.
2. Análise de Regimes: Eles exploram várias hierarquias entre a temperatura de reaquecimento ($T_{rh}$), a massa do mediador ($m_F$) e a massa de DM ($m_s$). Isso inclui cenários onde $T_{rh} < m_F$ (supressão de Boltzmann do mediador) e $T_{rh} < m_s$ (supressão de Boltzmann da produção de DM).
3. Implementação Numérica: O modelo é implementado usando FeynRules e analisado com CalcHEP/micrOMEGAs 6 para computar densidades relíquicas e rendimentos de partículas.
4. Restrições Fenomenológicas: O espaço de parâmetros viável é restringido por:
   • Detecção Direta: Limites de espalhamento DM-elétron (ex: XENON1T, SENSEI).
   • Física de Flavor: Restrições do decaimento radiativo $\mu \to e\gamma$.
   • Buscas em Colisores: Reinterpretação de buscas do LHC para Partículas Carregadas Estáveis Pesadas (HSCP), Léptons Deslocados (DL) e léptons prompt com energia transversal faltante ($E_T^{miss}$), utilizando ferramentas como SModelS, MadAnalysis5 e repositórios de recasting de LLP.

Principais Contribuições

• Freeze-in de Acoplamento Forte: O artigo demonstra que o freeze-in pode ser alcançado com acoplamentos ordens de magnitude mais fortes do que o regime "feeble", desde que $T_{rh}$ seja suficientemente baixa para suprimir as taxas de produção via fatores de Boltzmann.
• Não-Equilibração do Mediador: Uma descoberta significativa é o comportamento não trivial do mediador $F$. Em regiões onde $T_{rh} \sim T_{F}^{fo}$ (a temperatura de freeze-out intuitiva), aumentar o acoplamento $y_s$ pode, na verdade, impedir que o mediador atinja o equilíbrio térmico. Isso ocorre porque $F$ decai em DM mais rapidamente do que pode ser reposto por aniquilações do SM, levando a um "freeze-in" do próprio mediador.
• Transição Contínua: Os autores identificam uma transição contínua entre o freeze-in dominado por decaimento (onde $F$ está em equilíbrio) e o freeze-in dominado por espalhamento (onde $F$ nunca se equilibra e a DM é produzida via aniquilações do SM). Isso preenche a lacuna entre o freeze-in tradicional e os cenários de freeze-out térmico.
• Complementaridade de Buscas: O estudo destaca que a viabilidade do modelo e as restrições experimentais relevantes dependem fortemente da história térmica assumida ($T_{rh}$). Diferentes temperaturas de reaquecimento deslocam a força de acoplamento necessária, movendo as previsões do modelo entre os intervalos de sensibilidade dos canais de busca de HSCP, léptons deslocados e buscas prompt.

Resultos

• Contornos de Densidade Relíquia: No plano $(m_s, y_s)$, os autores encontram duas famílias distintas de soluções. Para alta $T_{rh}$, um acoplamento fraco ($y_s \lesssim 10^{-7}$) é necessário. À medida que $T_{rh}$ diminui abaixo de $m_F$, o acoplamento necessário aumenta dramaticamente (até $y_s \gtrsim 10^{-3}$) para compensar a supressão de Boltzmann do mediador e da produção de DM.
• Contribuição SuperWIMP: Para altas massas de DM ($m_s \sim m_F$), uma contribuição "superWIMP" do decaimento de partículas $F$ que sofreram freeze-out torna-se dominante, frequentemente sobrecarregando o universo (overclosing) a menos que $y_s$ seja ajustado para ser extremamente pequeno.
• Exclusões Experimentais:
  • Buscas de HSCP: Restringem o modelo para alta $T_{rh}$ (baixo $y_s$) onde $F$ é de vida longa, excluindo massas de mediador até $\sim 800$ GeV.
  • Buscas de Léptons Deslocados: Restringem valores de acoplamento intermediários ($10^{-9} \lesssim y_s \lesssim 10^{-7}$) onde $F$ decai dentro do rastreador (tracker).
  • Buscas Prompt: Restringem o regime de alto acoplamento e baixa $T_{rh}$ ($y_s \gtrsim 10^{-3}$), excluindo massas de mediador até $\sim 650$ GeV.
  • Restrições de Flavor: O limite de $\mu \to e\gamma$ restringe $y_s$ ao nível de $O(10^{-2})$, fornecendo cobertura complementar às buscas de colisor, particularmente para escalas de massa mais altas.

Significância e Alegações
O artigo alega que a distinção entre modelos de matéria escura microscópica, histórias térmicas e mecanismos de produção não é clara. Argumenta-se que avaliar o espaço de parâmetros cosmologicamente viável de um modelo requer rastrear simultaneamente a evolução da densidade numérica de múltiplas espécies de partículas (tanto DM quanto mediadores) em vez de confiar em suposições simplificadas.

Os autores enfatizam que o "freeze-in" não é um mecanismo único definido apenas por acoplamentos fracos, mas uma classe ampla de cenários onde taxas de produção sub-Hubble podem ser alcançadas seja por interações fracas ou por baixas temperaturas. Consequentemente, as buscas experimentais por matéria escura não estão apenas sondando modelos de partículas específicos, mas sim combinações de modelos microscópicos e a história térmica do Universo primordial. O trabalho ressalta a necessidade de considerar cenários de baixa temperatura de reaquecimento para explorar plenamente o panorama fenomenológico dos modelos de freeze-in de pais carregados.