новелла - где же изюминка физики?

Совместный космический микроволновый фон и ограничения нуклеосинтеза Большого взрыва на Светлые Темные сектора с темным излучением

Кара Джованетти, Марианджела Лисанти, Хунван Лю и Джошуа Т. Рудерман
Phys. Rev. Lett. 129, 021302 – Опубликовано 6 июля 2022 г.

ABSTRACT
Dark sectors provide a compelling theoretical framework for thermally producing sub-GeV dark matter, and motivate an expansive new accelerator and direct-detection experimental program. We demonstrate the power of constraining such dark sectors using the measured effective number of neutrino species,
N
eff
, from the cosmic microwave background (CMB) and primordial elemental abundances from big bang nucleosynthesis. As a concrete example, we consider a dark matter particle of arbitrary spin that interacts with the standard model via a massive dark photon, accounting for an arbitrary number of light degrees of freedom in the dark sector. We exclude dark matter masses below
;
4
;
;
MeV
 at 95% confidence for all dark matter spins and dark photon masses. These bounds hold regardless of additional new light, inert degrees of freedom in the dark sector, and for dark matter-electron scattering cross sections many orders of magnitude below current experimental constraints. The strength of these constraints will only continue to improve with future CMB experiments.



AUTHORS & AFFILIATIONS
Cara Giovanetti
1,*, Mariangela Lisanti
2,3,†, Hongwan Liu
1,2,‡, and Joshua T. Ruderman
1,§

1Center for Cosmology and Particle Physics, Department of Physics, New York University, New York, New York 10003, USA
2Department of Physics, Princeton University, Princeton, New Jersey 08544, USA
3Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, 162 Fifth Ave, New York, New York 10010, USA
*cg3566@nyu.edu
†mlisanti@princeton.edu
‡hongwanl@princeton.edu
§ruderman@nyu.edu


АБСТРАКТНЫЙ
Темные сектора обеспечивают убедительную теоретическую основу для термического производства темной материи с энергией ниже ГэВ и мотивируют новый обширный ускоритель и экспериментальную программу прямого обнаружения. Мы демонстрируем силу ограничения таких темных секторов, используя измеренное эффективное число разновидностей нейтрино,
N
eff
, из космического микроволнового фона (CMB) и первичного содержания элементов в результате нуклеосинтеза большого взрыва. В качестве конкретного примера мы рассмотрим частицу темной материи произвольного спина, которая взаимодействует со стандартной моделью через массивный темный фотон, что дает произвольное количество светлых степеней свободы в темном секторе. Мы исключаем массы темной материи ниже
;
4
;
;
МэВ
 с достоверностью 95% для всех вращений темной материи и масс темных фотонов. Эти границы сохраняются независимо от дополнительного нового света, инертных степеней свободы в темном секторе и сечений рассеяния электронов на темной материи на много порядков ниже текущих экспериментальных ограничений. Сила этих ограничений будет только усиливаться в ходе будущих экспериментов с реликтовым излучением.



АБСТРАКТНЫЙ
Темные сектора обеспечивают убедительную теоретическую основу для термического производства темной материи с энергией ниже ГэВ и мотивируют новый обширный ускоритель и экспериментальную программу прямого обнаружения. Мы демонстрируем силу ограничения таких темных секторов, используя измеренное эффективное число разновидностей нейтрино,
N
eff
, из космического микроволнового фона (CMB) и первичного содержания элементов в результате нуклеосинтеза большого взрыва. В качестве конкретного примера мы рассмотрим частицу темной материи произвольного спина, которая взаимодействует со стандартной моделью через массивный темный фотон, что дает произвольное количество светлых степеней свободы в темном секторе. Мы исключаем массы темной материи ниже
;
4
;
;
МэВ
 с достоверностью 95% для всех вращений темной материи и масс темных фотонов. Эти границы сохраняются независимо от дополнительного нового света, инертных степеней свободы в темном секторе и сечений рассеяния электронов на темной материи на много порядков ниже текущих экспериментальных ограничений. Сила этих ограничений будет только усиливаться в ходе будущих экспериментов с реликтовым излучением.