暗物质及其热扰动在早期宇宙中通过非热平衡机制产生与演化的研究

The generation of dark matter and its thermal perturbation in early universe is a very important and still unresolved issue, which is crucial for exploring the cosmic evolution of early universe and investigating the fundamental nature of dark matter. In conventional thermal equilibrium production mechanism, dark matter particles are in thermal equilibrium before freezing-out, so that the relic abundance of dark matter is irrelevant to the details of the cosmic evolution of universe which before dark matter freezing-out. Furthermore, before freezing-out, no thermal perturbation of dark matter is generated as it suppressed by the thermal equilibrium conditions. So this mechanism can not be utilized for investigating the cosmic evolution of very early universe which is ahead of the freezing-out phase. Our previous study shows that, alternatively, dark matter can be also generated in the out-of-chemical equilibrium production mechanism. In this new mechanism, before freezing-out, the abundance of dark matter is much lower than the value of thermal equilibrium, so that its relic abundance preserves the detailed information of cosmic evolution of early universe. Moreover, the thermal perturbation of dark matter is generated before freezing-out. Therefore, in this new mechanism, dark matter and its thermal perturbation can serve as a probe for investigating the details of very early universe. In this project, we will focus on the out-chemical equilibrium production mechanisms to 1) study the generation and evolution of dark matter in early universe; 2) analyze the theoretical results with the experimental data obtained from dark matter detections to get its constraints on the early universe parameters; and 3) investigate the generation and evolution of dark matter thermal perturbation in early universe for establishing its basic theory.

暗物质及其热扰动在早期宇宙中的产生与演化是一个重要而悬而未决的问题，其对探索早期宇宙演化过程和理解暗物质基本性质具有重要意义。在传统的热平衡产生机制中，由于暗物质在冻结之前处于热平衡态, 故其最终丰度与冻结之前的宇宙具体演化过程无关。同时受热平衡的压制，冻结之前也没有热扰动产生，所以其无法用于探索暗物质冻结之前早期宇宙的演化过程。近期的研究表明：暗物质可以由新的非热平衡产生机制生成。根据非热平衡产生机制，暗物质实际丰度远小于热平衡值，从而其最终丰度保留了冻结之前早期宇宙演化的具体信息，同时暗物质的热扰动也能在其冻结之前产生，因此，我们可以将其作为研究早期宇宙演化的探针。本项目中，我们将根据非热平衡产生机制：1）研究暗物质在早期宇宙中的产生及演化过程；2）对比理论结果与暗物质探测实验数据，得到其对早期宇宙参数的限制；3）并研究暗物质热扰动在早期宇宙中的产生及演化过程，建立相应的理论基础。

暗物质作为宇宙中最重要的物质组分之一，其在早期宇宙中的产生和演化过程一直是一个重要但悬而未决的问题，该问题的研究对理解暗物质粒子的基本性质及早期宇宙演化过程有着重要的意义。在传统的热平衡产生机制中，由于暗物质在冻结前达到过热平衡态，故其最终的可观测的残留丰度与冻结之前的宇宙演化过程无关。同时，由于受热平衡态的压制，其热扰动也无法携带冻结以前宇宙演化的具体信息。因此，在传统的热平衡产生机制中，无论是暗物质的丰度还是暗物质丰度的扰动都无法用于探索极早期宇宙的演化过程。本项目的前期研究表明，存在一类新的非热平衡暗物质产生机制，在冻结之前，暗物质丰度始终远小于热平衡态的值，从而避免了受到热平衡态的压制。在本项目中，我们将非热平衡机制中的暗物质的产生过程作为研究早期宇宙演化的探针。具体地，我们研究了暗物质在反弹宇宙中的非热平衡产生及演化过程， 得到了其最终的残留丰度。进一步地，我们从残留丰度的表达式中提取了其保留的冻结之前早期宇宙演化的具体信息，并与暗物质相关探测实验的数据相比较，得到了对反弹宇宙的反弹能标等早期宇宙模型参数的新限制。更进一步地，利用微扰理论，我们发展出了计算暗物质长波热扰动在反弹宇宙中的产生及演化的方法，得到了在该宇宙背景下非热平衡暗物质扰动包含了早期宇宙演化参数的谱函数。同时，我们在数学上证明了对于反弹能标在普朗克能标以下的反弹宇宙模型，非热平衡暗物质扰动的演化是稳定的，而不会破坏反弹宇宙的背景演化。综上所述，本项目通过研究非热平衡暗物质产生和丰度演化得到的对反弹宇宙的反弹能标等早期宇宙模型参数的新限制互补于来自宇宙原初扰动功率谱研究的传统限制，对探索早期宇宙的演化有着较为重要的科学意义。同时，本项目发展出的计算非热平衡暗物质长波热扰动在早期宇宙中的产生及演化的方法，使得暗物质扰动可以成为探测早期宇宙的新探针，并具有天文学方面的应用价值。