FIMP dark matter genesis produced via non-thermal freeze-in mechanism

Kosmologiset havainnot kuten: galaksien rotaatiokäyrien käyttäytyminen, kosmisen taustasäteilyn yksityiskohdat ja gravitaatiolinssiefektiin perustuvat galaksijoukkojen massajakaumat tukevat pimeän aineen olemassaoloa. Havainnot antavat ymmärtää, että pimeää ainetta on viisinkertainen määrä baryoniseen aineeseen verrattuna, joka vuorovaikuttaa vain gravitaation kautta. Suurin osa pimeästä aineesta oletetaan olevan ei-baryonista ja koostuvan standardimallin ulkopuolisista hiukkasista. Kosmologisista havainnoista huolimatta pimeän aine pysyy näkymättömissä maailmankaikkeuden kulissien takana, sillä sitä ei ole pystytty kokeellisesti havaitsemaan. Pimeän aineen voidaan olettaa olevan termisessä tasapainossa varhaisessa maailmankaikkeudessa ja syntyneen samalla tavalla kuten kevyet reliikit termisen freeze-out mekanismin kautta. Näin syntynyttä pimeä aine -hiukkasta kutsutaan WIMPiksi (Weakly Interactive Massive Particle). Pimeä aine voi myös olla syntynyt vaihtoehtoisesti ei-termisesti freeze-in mekanismin kautta. Tällä tavalla syntynyttä pimeä aine -hiukkasta kutsutaan FIMPiksi (Feebly Interactive Massive Particle). Tässä tapauksessa pimeä aine ei missään vaiheessa saavuta termistä tasapainoa, koska kytkennät muihin hiukkasiin ovat hyvin heikkoja. Tässä tutkielmassa tarkastellaan molempia syntytapoja pitäen pääpainon freeze-in mekanismissa. 1 → 2 hajonnan ja 2 → 2 sironnan analyyttiset ja numeeriset ratkaisut määritetään pimeän aineen hiukkastiheydelle, joka on syntynyt freeze-in mekanismin kautta. Ratkaisut pimeän aineen energiatiheydelle vaadittavilla kytkennöillä esitetään vastaaville prosesseille.