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因為這個作用項中的 ψ 限制在 Brane 上,這個項也必須限制在

在文檔中 動態暗物質 (頁 38-47)

只能是羅倫茲變換的 scalar、SM 規範變換的 singlet,這大致也 就是 SM 中粒子的 Lagrangian 或說是動能項。而且因為是 KK 粒子的衰變,所以只要考慮 Bulk 場 Φ 的線性項。綜合這些要求,

可能的作用項具有最低的 dimension 的就是:

這裡以 CP-Even 的 Φ 為例,若是 CP-Odd 的 Φ,作用項略為不 同,但最後結論類似。其它 dimension 較高的作用如

因為 較大,貢獻會被 Suppressed。

因為這個作用項中的

ψ 限制在 Brane 上,這個項也必須限制在

在此式中, Φ 是 Bulk 場 Φ 限縮到 Brane 上的投影。能量尺度: Φ 。此式還可以改寫 成以真正的 KK 粒子(Mass Eigenstate) 表示:

如此我們就可以估計出 decay widths Γλ大致的大小,寫出以下式 子:

代入 在大小λ 的行為,可以結論得到:

對於 large-λscaling:

Γλ λ 對於 small-λscaling:

Γλ λ 事實上,以上的估計是有一些漏洞,因為這裡假設其它 dimension 較高的作用如

貢獻會被 Suppressed,可是這 只有當 時才成立,也就是對於質量較大的 KK 粒子,恐怕 以上估計就不成立,而必須考慮較複雜的 Bulk 效應才能具體知 道它的衰變情況。

現在將 decay widths Γλ與 KK 粒子質量

的關係,與 abundance Ωλ與 KK 粒子質量

的關係綜合即可以得到

abundance Ωλ與 decay widths Γλ的關係:對於 large-λscaling:

instantaneous ΩλΓλ constant

staggered D era ΩλΓλ constant staggered MD eras ΩλΓλ constant

對於 small-λscaling:

instantaneous Ωλ constant staggered D era ΩλΓλ constant staggered MD eras ΩλΓλ constant 由此可知,KK states 確實滿足我們模型的重要條件,那就是

abundance Ωλ與 decay widths Γλ是相反的趨勢,abundance Ωλ越 大的 DDM,其 decay widths Γλ越小,如此才能有機會使 DDM 在宇宙早期的衰變不至於破壞 BBN。

由以上關係,進一步可求出 α、β:

這兩個參數的和 α+β= X 可以讓我們算出 DDM 最重要的一些性 質。

對於 large-λscaling:

對於 small-λscaling:

在不同的情況下 X=α+β 分別等於:

這些得到的 x 值都小於 1,符合現象觀察上所偏好的

以上的計算是利用 abundence 及 decay width 與 λ 的 power law scaling 來概略計算,作者繼續再用數值模擬來計算 Ωtot(t)、η(t)、

Weff(t)這些物理量。在計算中我們只關注最後 DDM 開始衰變的 時期,而且這些 DDM 衰變都發生在 matter-dominated 的時代!

每個粒子都有不同的 decay width(Γi),而

,abundance 隨者時 間的變化,有兩種因素決定:1.宇宙膨脹 H 2.DDM 衰變 ;當粒 子在 matter-dominated 時代時,H 不影響 abundance 的變化,所 以只需考慮 decay widths 的效應。另外,我們探討即便有三種 mechanics production,我們探討是否有其他基制限制 abundance 的範圍,

如果

且對於 large-λ

很容易就可以發現

i

  

i

這個要求是可以滿足的。 abundance

乘上同一個 factor。對於 Total abundance 的計算我 們只要考慮這些 DDM 在 DM Era 的演化即可。

這個式子即可以數值方法計算而得到任何時刻的 Total

根據前面 total abundance Ωtot(t)定義,將 individual abundances 加總為 total abundance,在此作者先忽略絕對值的 abundence,

而以 Rescaled abundence 來描述 DDM abundence 隨時間變化的 關係。

由於前面討論 Total abundance 都是估計 λ、λ (如(3.55)式)的極 限行為,現在要比較精確地作數值的計算:首先,我們先把整 個 KK tower 的 mass eigenvalues 找出,也就是說,需解出 mass

matrix 的 eigenvalues λ,這些 Eigenvalues 是一個 transcendental equation 的解 ,(3.34)式;當 mass eigenvalue 找出之後利用(3.39) 式來求出 λ;當 λ與λ 得知後,可使用(3.63)式,求出 Γλ

得到 λ,λ 及Γλ ,根據 porduction 是 instantaneous 或是 stagger

(若是 Stagger 在 D 或是 MD 時代)共三種情況,可將 individual abundancesΩλ求出,加總得到 total abundance,再將共 同的常數移去,就可以得到一個 rescaled 的Ωtot,以 instantaneous production 為例:

Ωtot Ωλ λ λ λ λ instantaneous

Ωtot Ωλ λ λ λ λ staggered 在 D era (3.76) Ωtot Ωλ λ λ λ staggered 在 D era

為了計算方便,假設 KK 粒子的衰變是在 瞬間發 生,因此假設衰變因子是一個階梯函數: Γλ t 。以 instantaneuos production 為例:

Ω 這個加總原則上是要包括所有的 KK 粒子(λ 有無限多個解),

但因為上述的簡化,在任一個時間

t

,所有 的 KK 都已 經衰便消失了,所以加總時,其實只要包括那些

的 λ 值即可。

數值計算的結果如下圖所示,這裡Γ 是最輕的 DM 的 Decay Width,也就是以最輕的 DM 的 Lifetime 作為時間的單位。每一 條曲線上包含未衰變的 KK 粒子,所以當其中一個粒子衰變時,

abundance 曲線呈階梯狀下降。因為在 Misalignment Production 機制中,越輕的 KK 粒子的 abundance 越大,所以在早期較重粒 子衰變時,abundance 下降不大,圖形幾乎是平滑下降。越到後 面,衰變的 KK 粒子越重,abundance 下降越明顯。當

log Γ 時,就是 Γ ,表示最輕的 DDM 也衰變了,

所有的 DM 就完全消失。

Total abundance 的曲線與參數

ymR 1

的關係非常有趣。參數

ymR 1

標定 Momentum Eigenstates 的 mixing,而這個 mixing 是 DDM 在 Misalignment Production 機制 initial abundance 的來源。

所以當 y 很大時,mixing 不大,所以所有的 DM 就大致只含有 少數幾種最輕的 DM,那麼 total abundance 就很類似 single DM

的情況,在宇宙演化過程幾乎沒有變化。相對的,如果 y 很小 時,mixing 較大,所以幾乎大部分的 DDM 都會產生,宇宙中 DM 包含許多具有不同質量與不同生命期的 DDM,所以 total abundance Ω 會隨時間而顯著變化,這是最能顯示 Dynamic Dark Matter 的 Dynamism 的情況。

而 Misalignment production 機制的細節對結果也有影響。

Instantaneous Production 及 Staggered Turn-on 影響 abundance 中 λ 的 scaling,因此影響是否有許多 DDM 在開始時產生。

Ωλ

λ λ instantaneous λ λ staggered D era λ staggered MD eras

對於 instantaneous 有平滑曲線出現, Ωλ λ ,mutiple dark matter 明顯;相較其它兩個 staggered 圖形均為水平,表示粒子種類 少,abundance 變化就少, mutiple dark matter 不顯著。

η(t)

這個情況在分配參數

η(t)的行為看得更清楚,y 越大,看得出來 η 越小,表示只有少量的 dark matter,反之,y 越小,則 η 越大,

表示有多種 DDM 存在。

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