Ultra-relativistic freeze-out of fermion dark matter through a heavy scalar mediator
本文研究了在再加热期间通过重标量媒介子产生马约拉纳费米子暗物质的过程，识别了三种不同的机制（冻结产生、类WIMP冻结以及超相对论性冻结），并证明了在超相对论性冻结情景下，准确预测残留丰度需要对持续的产生过程和熵稀释进行一致的处理，而这些过程受标量三次相互作用的显著影响。
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宇宙中充满了我们看不见、摸不着也闻不到的隐形物质，但我们通过它对恒星的引力作用以及对光线的弯曲效应，知道它的存在。这种被称为暗物质的物质约占宇宙总量的四分之一，但科学家从未能确定究竟是哪种粒子构成了它。几十年来，主流观点认为暗物质由沉重且移动缓慢的粒子组成，这些粒子在炽热的早期宇宙中曾自由漂浮，随后随着宇宙冷却而冻结到目前的形态。然而，随着实验排除了许多这类重质量候选者，物理学家开始转向研究其他可能性，包括那些质量极轻且以惊人速度运动的粒子，或者是那些从未能与宇宙其余部分达到稳定状态的粒子。
一组研究人员现在探索了一种特定的情景，即暗物质是通过一种作为已知世界与隐藏世界之间桥梁的重质量隐形粒子而产生的。他们将目光聚焦在紧随大爆炸之后的一个时期，当时宇宙仍在剧烈升温和快速膨胀，这个时期被称为“再加热”时期。在他们的模型中，暗物质粒子是费米子（一种包括电子和质子在内的物质类型），它们仅通过一种重标量粒子（一种力载体）与宇宙的其余部分发生相互作用。研究人员利用详细的计算机模拟来追踪这些粒子在宇宙冷却过程中会如何表现，并精确计算了产生数量及其运动速度。
这项研究表明，暗物质的历史并不局限于单一的故事。取决于重质量桥梁粒子的质量以及早期宇宙的温度，暗物质可能有三种截然不同的产生方式。在某些情况下，这些粒子与宇宙其余部分的联系非常微弱，因此是在时间推移中缓慢产生的，从未达到平衡状态。在另一些情况下，它们表现得像传统的重质量粒子一样，在宇宙冷却前与周围的热量达到了完美的平衡，随后发生“冻结”。最引人注目的是，研究人员发现了第三条更为复杂的路径，称为“超相对论性冻结”（ultra-relativistic freeze-out）。在这种情景下，暗物质粒子与早期宇宙的热汤达到了平衡状态，但在它们减速变得缓慢之前，就已经在以接近光速的速度运动时脱离了同步。
使第三条路径显得特别有趣的原因在于，暗物质的产生并未在粒子脱离平衡的那一刻停止。即使在它们停止频繁相互作用后，宇宙仍在不断产生新的暗物质粒子。与此同时，再加热期间宇宙的快速膨胀正在注入新的能量并拉伸空间，这实际上稀释了存在的暗物质量。研究人员发现，要理解现今存在多少暗物质，必须仔细权衡这两个相互竞争的影响：新粒子的持续产生与由膨胀宇宙引起的稀释作用。如果科学家仅仅观察粒子停止相互作用的那一刻，将会显著低估最终的暗物质总量。
该团队还检查了重质量桥梁粒子的内部结构如何影响这些结果。他们发现，重桥梁与宇宙中较轻粒子之间的连接强度，比桥梁自身内部相互作用的强度起到了更大的作用。通过调整这些连接，不同产生故事之间的界限发生了偏移，从而改变了哪种情景最有可能产生我们今天所观测到的精确暗物质量。他们的计算表明，超相对论性冻结情景是一个可行且稳健的解释，能够解释我们看到的暗物质，并适用于广泛的质量和温度范围。这表明，我们宇宙中的暗物质可能比此前认为的更轻、更快，其历史书写在宇宙最早、最热时刻中创造与稀释的复杂相互作用之中。
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