Stochastic gravitational-wave background at 3G detectors as a smoking gun for microscopic dark matter relics
Abstract: Microscopic horizonless relics could form in the early universe either directly through gravitational collapse or as stable remnants of the Hawking evaporation of primordial black holes. In both cases they completely or partially evade cosmological constraints arising from Hawking evaporation and in certain mass ranges can explain the entirety of the dark matter. We systematically explore the stochastic gravitational-wave background associated with the formation of microscopic dark-matter relics in various scenarios, adopting an agnostic approach and discussing the limitations introduced by existing constraints, possible ways to circumvent the latter, and expected astrophysical foregrounds. Interestingly, this signal is at most marginally detectable with current interferometers but could be detectable by third-generations instruments such as the Einstein Telescope, strengthening their potential as discovery machines.
- G. Bertone, ed., Particle Dark Matter (Cambridge University Press, 2010) iSBN: 9780511770739.
- G. Bertone and T. Tait, M. P., Nature 562, 51 (2018), arXiv:1810.01668 [astro-ph.CO] .
- R. Alves Batista et al.,  (2021), arXiv:2110.10074 [astro-ph.HE] .
- S. R. Coleman, Nucl. Phys. B 262, 263 (1985), [Addendum: Nucl.Phys.B 269, 744 (1986)].
- A. Kusenko and M. E. Shaposhnikov, Phys. Lett. B 418, 46 (1998), arXiv:hep-ph/9709492 .
- P. Jetzer, Phys. Rept. 220, 163 (1992).
- F. E. Schunck and E. W. Mielke, Class. Quant. Grav. 20, R301 (2003), arXiv:0801.0307 [astro-ph] .
- S. L. Liebling and C. Palenzuela, Living Rev. Rel. 15, 6 (2012), arXiv:1202.5809 [gr-qc] .
- E. Seidel and W. M. Suen, Phys. Rev. Lett. 66, 1659 (1991).
- T. D. Lee and Y. Pang, Phys. Rev. D 35, 3678 (1987).
- S. W. Hawking, Nature 248, 30 (1974).
- P. Ivanov, Phys. Rev. D 57, 7145 (1998), arXiv:astro-ph/9708224 .
- S. W. Hawking, Communications in Mathematical Physics 43, 199 (1975).
- J. H. MacGibbon, Nature 329, 308 (1987).
- I. Dalianis and G. Tringas, Phys. Rev. D 100, 083512 (2019), arXiv:1905.01741 [astro-ph.CO] .
- A. Ashtekar and M. Bojowald, Class. Quant. Grav. 22, 3349 (2005), arXiv:gr-qc/0504029 .
- P. Chen and R. J. Adler, Nucl. Phys. B Proc. Suppl. 124, 103 (2003), arXiv:gr-qc/0205106 .
- A. H. Chamseddine and V. Mukhanov, Eur. Phys. J. C 77, 183 (2017), arXiv:1612.05861 [gr-qc] .
- S. Hossenfelder, Living Rev. Rel. 16, 2 (2013), arXiv:1203.6191 [gr-qc] .
- J. A. de Freitas Pacheco and J. Silk, Phys. Rev. D 101, 083022 (2020), arXiv:2003.12072 [astro-ph.CO] .
- V. Kalogera et al.,  (2021), arXiv:2111.06990 [gr-qc] .
- S. Hild et al., Class. Quant. Grav. 28, 094013 (2011), arXiv:1012.0908 [gr-qc] .
- M. Punturo et al., Class. Quant. Grav. 27, 194002 (2010).
- M. Maggiore et al., JCAP 03, 050 (2020), arXiv:1912.02622 [astro-ph.CO] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific), Class. Quant. Grav. 34, 044001 (2017), arXiv:1607.08697 [astro-ph.IM] .
- V. Cardoso and P. Pani, Living Rev. Rel. 22, 4 (2019), arXiv:1904.05363 [gr-qc] .
- G. Domènech and M. Sasaki,  (2023), arXiv:2303.07661 [gr-qc] .
- G. Franciolini and A. Urbano, Phys. Rev. D 106, 123519 (2022), arXiv:2207.10056 [astro-ph.CO] .
- O. Özsoy and G. Tasinato,  (2023), arXiv:2301.03600 [astro-ph.CO] .
- A. Escrivà , Universe 8, 66 (2022), arXiv:2111.12693 [gr-qc] .
- C. Germani and I. Musco, Phys. Rev. Lett. 122, 141302 (2019), arXiv:1805.04087 [astro-ph.CO] .
- I. Musco, Phys. Rev. D 100, 123524 (2019), arXiv:1809.02127 [gr-qc] .
- S. Young, Int. J. Mod. Phys. D 29, 2030002 (2019), arXiv:1905.01230 [astro-ph.CO] .
- M. S. Delos and G. Franciolini, Phys. Rev. D 107, 083505 (2023), arXiv:2301.13171 [astro-ph.CO] .
- C. Germani and R. K. Sheth, Phys. Rev. D 101, 063520 (2020), arXiv:1912.07072 [astro-ph.CO] .
- K. Tomita, Prog. Theor. Phys. 54, 730 (1975).
- G. Domènech, Universe 7, 398 (2021), arXiv:2109.01398 [gr-qc] .
- K. Kohri and T. Terada, Phys. Rev. D 97, 123532 (2018), arXiv:1804.08577 [gr-qc] .
- M. Loverde and Z. J. Weiner,  (2022), arXiv:2208.11714 [astro-ph.CO] .
- S. W. Hawking, Commun. Math. Phys. 43, 199 (1975), [Erratum: Commun.Math.Phys. 46, 206 (1976)].
- P. Pani and V. Cardoso, Phys. Rev. D 79, 084031 (2009), arXiv:0902.1569 [gr-qc] .
- Z. Pan and H. Yang,  (2023), arXiv:2301.04529 [gr-qc] .
- M. Branchesi et al.,  (2023), arXiv:2303.15923 [gr-qc] .
- M. Lewicki and V. Vaskonen, Eur. Phys. J. C 83, 168 (2023), arXiv:2111.05847 [astro-ph.CO] .
- R. Smith and E. Thrane, Phys. Rev. X 8, 021019 (2018), arXiv:1712.00688 [gr-qc] .
- A. Sharma and J. Harms, Phys. Rev. D 102, 063009 (2020), arXiv:2006.16116 [gr-qc] .
- S. Drasco and E. E. Flanagan, Phys. Rev. D 67, 082003 (2003), arXiv:gr-qc/0210032 .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 116, 131102 (2016), arXiv:1602.03847 [gr-qc] .
- B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific, Virgo), Phys. Rev. Lett. 120, 091101 (2018), arXiv:1710.05837 [gr-qc] .
- N. Aggarwal et al., Living Rev. Rel. 24, 4 (2021), arXiv:2011.12414 [gr-qc] .
- K. D. Lozanov and M. A. Amin, Phys. Rev. D 99, 123504 (2019), arXiv:1902.06736 [astro-ph.CO] .
- I. Dalianis and C. Kouvaris, JCAP 07, 046 (2021), arXiv:2012.09255 [astro-ph.CO] .
- K. Inomata and T. Nakama, Phys. Rev. D 99, 043511 (2019), arXiv:1812.00674 [astro-ph.CO] .
- S. D. Mathur, Class. Quant. Grav. 26, 224001 (2009), arXiv:0909.1038 [hep-th] .
- J. Polchinski, in Theoretical Advanced Study Institute in Elementary Particle Physics: New Frontiers in Fields and Strings (2017) pp. 353–397, arXiv:1609.04036 [hep-th] .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.