micrOMEGAs 7: Beyond standard cosmology

本文介绍了 micrOMEGAs 7，这是一个重大的软件升级，它通过允许用户自定义哈勃膨胀和熵演化的修改，将暗物质计算扩展到了标准宇宙学之外，同时还纳入了更新的实验约束以及针对亚 GeV 暗物质和间接探测的改进处理。

要点

想象一下，宇宙就像一个巨大的、不断膨胀的气球。几十年来，科学家们一直使用一套特定的规则来计算大爆炸后应该剩下多少“暗物质”（即那些将星系维系在一起的不可见物质）。这些规则假设气球里充满了某种特定类型的气体（辐射），并且这种气体会以一种可预测的方式冷却。

你提供的论文介绍了 micrOMEGAs 7，这是一个重要的软件升级，它充当了暗物质的“通用计算器”。它不仅仅是一个更好的计算器；它现在可以处理那些宇宙并未遵循标准规则的情景。

以下是这个新版本功能的拆解，使用了简单的类比：

1. 重写宇宙膨胀的规则

旧的方法： 想象一场比赛，参赛者（暗物质粒子）正试图配对并消失。在标准模型中，赛道（宇宙）以稳定且可预测的速度扩张。如果参赛者配对得太慢，他们就会存活；如果配对得太快，他们就会消失。该软件曾假设赛道的扩张方式始终如一。

新的方法 (micrOMEGAs 7)： 这个版本意识到，在某些理论中，赛道的扩张速度可能比预期快得多或慢得多，或者参赛者可能会被一位神秘的“教练”（衰减场）在比赛后期重新投入到赛道上。

• 类比： 把宇宙的膨胀想象成一条河流。旧的软件假设河流总是以恒定的速度流动。新软件允许你设定：“如果河流突然洪水爆发（扩张得更快）怎么办？”或者“如果大坝决堤，向河流中倾倒了大量新游泳者（熵注入）怎么办？”
• 为什么重要： 它让科学家能够计算在这些奇特的、非标准的情景下，会存在多少暗物质，例如在宇宙曾由沉重、缓慢移动的物质主导，随后才变成我们今天看到的充满辐射的地方。

2. 处理“微小”的暗物质

旧的方法： 该软件非常擅长计算重型暗物质（像保龄球一样），但处理极轻暗物质（像乒乓球一样）时却很吃力，因为在低能量状态下的物理过程变得非常复杂。

新的方法： 此次更新包含了一个专门针对轻暗物质的“显微镜”。

• 类比： 如果重型暗物质像是汽车撞墙，那么轻型暗物质就像羽毛撞向云朵。新版本理解了当这些微小粒子碰撞时，它们不仅仅是破碎成更小的碎片，而是会转化为特定的轻粒子，称为“介子”（如 π 介子和 K 介子）。软件现在拥有了一本专门的说明书，指导这些特定粒子的行为，确保即使对于最微小的暗物质候选者，数学计算也是准确的。

3. 根据现实世界的证据进行校验

该软件就像一名侦探，通过三个主要的“犯罪现场”（实验）来检查其理论：

• 宇宙微波背景 (CMB)： 这是宇宙的“婴儿照”。新版本会检查暗物质模型是否会在过度加热早期宇宙的过程中，在这一张婴儿照上留下指纹。这就像是检查嫌疑人的不在场证明是否符合犯罪现场的时间线。
• 直接探测 (LZ 实验)： 这就像是通过观察幽灵是否撞到了墙来捕捉幽灵。该软件现在包含了来自 LZ 实验（一个巨大的液氙罐）的最新的结果。它已被更新得更加真实，考虑到了暗物质可能具有“电磁”属性（像一个小磁铁一样）从而改变其撞击原子的方式。
• 间接探测 (Fermi-LAT 望远镜)： 这类探测器寻找的是当暗物质粒子在空间中碰撞并相互湮灭时留下的“烟雾”。该软件现在使用了更新后的“矮星系”（暗物质含量较高的微型星系）地图，以观察预测的烟雾是否与望远镜实际观测到的现象相吻合。

4. 对撞机 “Z'” 校验

粒子对撞机（如大型强子对撞机）通过碰撞粒子来创造新粒子。该新软件包含一个专门的工具，用于检查一个名为 Z' 的假设粒子（Z 玻色子的重型亲戚）是否已被来自 CMS 实验的最新数据所排除。它充当了一个针对涉及该特定粒子的理论的快速“通过/失败”测试。

总结

简而言之，micrOMEGAs 7 是科学家用来预测宇宙中暗物质数量的工具的一次重大升级。

• 它不再假设宇宙总是以同样的方式膨胀。
• 它在处理极轻暗物质方面变得更加出色。
• 它使用来自望远镜、地下探测器和粒子对撞机的最新数据更新了它的“核查清单”。

它让研究人员能够提出关于早期宇宙的“如果……会怎样？”的问题，并获得可靠的答案，即使宇宙的行为方式与我们标准的教科书描述大不相同。

技术摘要

技术摘要：micrOMEGAs 7 —— 超越标准宇宙学

问题陈述
寻找粒子暗物质（DM）需要能够预测多种理论框架下遗迹密度（relic densities）和散射率的计算工具。从历史上看，诸如 micrOMEGAs 之类的工具依赖于标准宇宙学假设，即一个辐射主导的早期宇宙，其中熵是守恒的，且标准模型（SM）等离子体温度与哈勃膨胀率之间存在固定的关系。在由暴胀再加热、隐藏部门动力学或涉及晚期衰减场所驱动的情景中，这一框架变得不再适用，因为这些情景中的早期宇宙可能遵循复杂的热历史。此外，现有的亚 GeV 暗物质处理方法在非微扰 QCD 效应（强子湮灭）方面缺乏精度，且直接探测程序尚未完全纳入有效电磁耦合以及来自 LZ 实验合作组的最新实验限制。

方法论
作者提出了 micrOMEGAs 7，这是一个重大的升级，它通过泛化玻尔兹曼方程的处理方式来适应非标准宇宙历史。其核心方法论包括：

1. 广义背景演化： 该代码求解耦合的玻尔兹曼方程，以处理衰减场 $\phi$（可能代表暴胀子或其他重组分）的能量密度以及标准模型热浴的熵密度。这允许用户定义对哈勃膨胀率（$H$）和熵演化的修改。该框架引入了描述衰减场状态方程（$w$）的参数，以及控制再加热期间标准模型热浴温度演化（$T \propto a^{-\alpha}$）的标度参数（$\alpha$）。
2. 非热暗物质产生： 暗物质数密度演化方程得到了扩展，以包含来自 $\phi$ 衰减为暗物质粒子的源项，同时兼顾标准的湮灭和半湮灭过程。这使得计算在低温度再加热、早期物质主导和动力学（kination）等情景下的遗迹密度成为可能。
3. 亚 GeV 强子处理： 对于质量低于 GeV 量级的暗物质，代码实现了一个专门的框架，用于处理通过标量媒介子向轻介子湮灭的过程。该框架利用了三种参数化方法：领先阶手征微扰理论（$\chi$PT-LO）、受色散关系约束的能量依赖型标量形式因子，以及另一种色散构造。
4. 直接与间接探测更新：
   • 直接探测： 代码纳入了对近期 LZ 结果（2022 年和 2024 年分析）的重构，并扩展了弹性散射程序，以包含光子交换相互作用，考虑了偶极矩（自旋-1/2）和四极矩（自旋-1）。
   • 间接探测： 增加了新的粒子能谱表（光子、正电子、反质子、中微子），将质量范围向下扩展至 0.5 GeV（夸克对湮灭）以及介子质量（介子对湮灭）。代码集成了来自矮星星系团的 Fermi-LAT 限制以及更新后的 CMB 约束（Planck）关于复合时期能量注入的影响。
5. 对撞机约束： 一种新的程序实现了基于 CMS 双轻子共振搜索（使用 140 fb$^{-1}$ 的 Run 2 数据）对 $Z'$ 媒介子的 95% C.L. 限制。

主要贡献与结果

• 非标准宇宙学： 该代码现在支持广义背景，其中哈勃参数会受到早期物质主导或动力学的贡献，且熵通过晚期衰减注入。通过与独立的数值解进行验证，在各种 $w$ 和 $\alpha$ 选择下均表现出极佳的一致性。
• 亚 GeV 精度： 标量-介子相互作用的实现提供了对亚 GeV 暗物质现象学的连贯描述，其更新后的能谱表可向下延伸至 0.5 GeV。
• 实验约束：
  • LZ 重构： 代码高保真地重现了 LZ5T 的自旋无关散射限制，尽管在质量低于 20 GeV 时，其实现的限制被指出是保守的（比官方 LZ 限制更宽松）。
  • CMB-ION： 代码计算了用于 CMB 约束的有效能量沉积份额（$f_{eff}$），显示出与先前文献（文献 [24]）在百分之几以内的吻合度。
  • Fermi-LAT 与 CMS： 来自矮星星系团和 CMS 双轻子搜索的限制现在可以直接在软件包内获取。
• 直接探测扩展： 光子交换图的加入使得计算具有电磁矩的暗物质的直接探测信号成为可能，这是此前处理圈定诱导相互作用时无法实现的功能。

意义
作者声称，micrOMEGAs 7 提供了一个统一且稳健的工具，用于探索以往难以在单一数值代码内处理的早期宇宙历史。通过取消辐射主导和熵守恒的假设，该软件包能够在标准冻结（freeze-out）或冻结-入（freeze-in）图像被扭曲的情景下，实现可靠的遗迹密度计算。通过整合更新的实验约束（LZ、Planck、Fermi-LAT、CMS）以及改进的轻暗物质和电磁耦合处理，该工具确保了在可行参数空间内，对宇宙学、天体物理学和对撞机探测进行一致的比较。该版本的发布标志着迈向构建一个既能测试标准也能测试非标准宇宙设置下粒子暗物质模型的全面框架的重要一步。