Gravitational Dark Matter Production in Einstein-Cartan Theory
本文通过引入 s 道引力子交换和 Holst 项来完善对总截面、碰撞项以及由挠率诱导的四费米子相互作用所产生的暗物质丰度的计算，研究了爱因斯坦-卡尔丹理论中的引力暗物质产生过程。
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几十年来，宇宙学中最持久的谜团一直是暗物质的本质。我们知道它的存在，是因为它的引力将星系维系在一起，然而它却拒绝通过光或其他任何熟悉的力来显现自身。虽然许多实验都在通过寻找暗物质撞击普通原子的过程来搜寻它，但仍有一种更安静的可能性存在：即暗物质仅通过引力与我们的宇宙发生相互作用。引力是自然界中最弱的力量，因此通过这种方式产生暗物质似乎不太可能产生显著的数量。然而，引力本身的规则可能比标准模型所暗示的更为复杂。
爱因斯坦的广义相对论将引力描述为由质量和能量引起的时空弯曲。但在这一理论中存在一个自然的延伸，被称为爱因斯坦-卡尔坦（Einstein-Cartan）理论，该理论允许时空具有一种被称为“挠率”（torsion）的属性。想象一下，时空不仅是一张可以弯曲的柔性薄片，也是一种可以扭转的织物。在这个框架下，这种扭转直接与粒子的内禀自旋相关联，就像质量与曲率相关联一样。虽然这种扭转效应在我们日常世界中微乎其微，但在早期宇宙的极端能量下，它会变得非常强大。当科学家从方程中消去这种扭转效应时，它会留下一种新的、粒子间的直接接触力。这种力就像是费米子（包括电子和所提议的暗物质候选者在内的某种基本粒子类型）之间的一种“握手”。
在最近的一项研究中，研究人员重新审视了在早期宇宙大爆炸后的最初时刻，暗物质是如何通过爱因斯坦-卡尔坦框架产生的。他们将重点放在暗物质粒子是费米子的情景中。之前的计算曾估算了如果暗物质完全源于这种粒子间的新接触力，将会产生多少暗物质。这项研究中的研究人员提出了一个关键问题：如果我们同时计入标准的、纯粹的引力过程——即两个粒子碰撞并交换一个引力子（携带引力的假设粒子）——会发生什么？他们想看看这两种不同的路径——即新的接触力和标准的引力交换——是会共同创造出更多的暗物质，还是会相互抵消。
团队对碰撞率进行了详细计算，不仅考虑了费米子，还考虑了构成早期宇宙“热汤”的标量粒子和矢量粒子。他们发现，这两个过程并不会以改变暗物质总产量的方式相互干涉。相反，它们的贡献只是简单地相加。新的接触力仍然是主要的驱动力，产生的暗物质远多于单纯的引力。然而，包含标准的引力交换确实带来了约 7% 的微小但可测量的差异，增加了总产量。更重要的是，虽然粒子的总数保持为两种效应之和，但这些粒子的能量分布方式发生了变化。标准的引力过程倾向于增加低能暗物质粒子的产生，从而改变了能量谱的形状。
研究人员还探索了涉及一个被称为“霍尔斯特项”（Holst term）的特定数学项的进一步理论精炼。这个项引入了一个参数，可以改变新接触力的强度，甚至可以产生另外两种粒子间的相互作用。他们发现，取决于这个参数的值，产生的暗物质总量可能会减少或显著增加。在最简单的情况下，霍尔斯特项的作用是削弱产量，但在一种特定的非最小耦合设置下，它可能会增强产量。研究结论指出，如果暗物质确实是费米子，且爱因实在卡尔坦理论正确描述了早期宇宙，那么在两种理论都包含标准引力产生机制的情况下，今天观测到的暗物质总丰度将大约是纯广义相对论（不含挠率）预测值的 7.17 倍。这表明，时空的微妙几何结构，包括其潜在的扭转能力，在为塑造我们宇宙的不可见质量提供物质方面发挥着至关重要的作用。
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