非热产生WIMP暗物质对宇宙大尺度结构形成和演化的影响

The project will propose non-thermal production of WIMP dark matter dominated cosmological models, which are in agreement well with the astronomical/ cosmological observations. We consider the non-thermally produced WIMPs as the candidate for dark matter, by studying the particle physical fundamentality and the production mechanism of the dark matter. We explore the effects of non-thermally produced WIMP dark matter on the formation and evolution of the cosmic large-scale structures, via using an ensemble of high resolution N-body simulations and building the dark matter halo model. Combined with the observations, we verify the feasibility of the non-thermal production of WIMP dark matter model. And using CMB, SN, SDSS, and Lyman-α forest observational data, we determine the cosmological parameters of the model, and present the limits on the average comoving velocity, and the constraints on the free streaming and the symmetry breaking scale of the non-thermally produced WIMPs. We solve the cusp-core problem and sub-structure problem with respect to standard cold matter model. The research on cosmology focus on dark matter and large scale structures, which has significance to understand the distribution and evolution of cosmic matter. The results of the project should contribute to the exploring of the natures of dark matter and the indirect detection of dark matter particles.

项目拟建立与天文/宇宙学观测自洽的基于非热产生WIMP暗物质的宇宙学模型。通过研究暗物质粒子的物理基础、产生机制，选择非热产生WIMPs作为暗物质的候选者。在基于非热产生WIMP暗物质的宇宙学模型中，完成物质非线性演化的数值模拟和暗晕模型的建立，研究非热产生WIMP暗物质对宇宙大尺度结构形成和演化的影响；结合观测数据，验证非热产生WIMP暗物质模型的可行性；拟合CMB、SN、LSS、Lyman-α forest等观测数据，确定基于非热产生WIMP暗物质的宇宙学模型的宇宙学参数，给出对于非热产生WIMP粒子的自由流动尺度、平均共动速度、相变发生温度的限制；解决标准冷暗物质宇宙学模型在星系和亚星系尺度上出现的暗晕中心核密度问题和子结构问题。本项目关于暗物质和宇宙大尺度结构的研究，对于理解宇宙的物质分布和演化具有重要的意义，对于理解暗物质的本质以及暗物质的间接探测具有重要的参考作用和理论意义。

暗物质、宇宙微波背景涨落和宇宙大尺度结构是当前宇宙学的研究热点，这对于理解宇宙的物质分布和演化具有重要的意义。项目研究目标旨在建立与天文/宇宙学观测自洽的基于非热产生WIMP暗物质的宇宙学模型（简称ΛNTDM模型）。. 项目研究暗物质粒子的物理基础、产生机制，选择非热产生WIMP粒子（简称NTDM粒子）作为暗物质的候选者。我们给出NTDM粒子的剩余丰度的计算，并对宇宙弦形成时对称破缺尺度做出限制。. 项目在ΛNTDM模型中，得到线性转移函数、微波背景涨落的温度功率谱、线性物质功率谱等的数值解，得到物质非线性演化的数值模拟结果。结果表明：在描述大尺度演化方面，NTDM模型的温度功率谱与CDM模型基本没有差异，NTDM模型的线性功率谱与星系功率谱在大尺度上是一致的。我们利用SDSS星系功率谱数据，以及Lyman-α forest数据，采用卡方检验分析理论值与观测值是否有显著差异，给出对于NTDM粒子的限制条件。 . 项目研究了在ΛNTDM模型中暗物质的成团特性。我们基于球密度反差方法建立了暗晕模型，分析暗晕的功率谱演化、暗晕的数密度演化，以及暗晕的形状。结果表明：ΛNTDM模型缓解了ΛCDM宇宙学模型在星系和亚星系尺度上出现的暗晕中心核密度问题和子结构问题。. 项目开展了基于宇宙线的暗物质的间接探测的初步研究。目前PAMELA、AMS-02、ATIC、Fermi/LAT、DAMPE 等实验关于正/负电子、质子/反质子、γ射线流强观测结果的分析，极大促进了我们对暗物质属性的理解。我们通过对各实验数据的研究来比较甚至排除某些暗物质模型和相互作用机制。这部分工作也是我们将持续开展的工作。. 本项目通过不同宇宙学模型的数值模拟结果的比较和分析，说明ΛNTDM模型在解释宇宙大尺度结构形成和演化方面的合理性；并由于NTDM粒子的非热起源机制，缓解了ΛCDM模型所面临的“小尺度危机”。. 本项目关于暗物质和宇宙大尺度结构的研究结果，对于理解宇宙的物质分布和演化具有重要的意义，对于理解暗物质的本质以及暗物质的间接探测具有重要的参考作用和理论意义。