Dark matter production accompanied by gravitational wave signals during cosmological phase transitions (2312.15752v2)
Abstract: We investigate the temperature-dependent production of feebly interacting massive dark matter particle (FIMP DM) within a $Z_2$ model, incorporating two $Z_2$-odd scalar fields. In specific parameter regions, three distinct mechanisms individually dominate the production of the FIMP DM. These mechanisms include the semi-production process, commonly known as the ``exponential growth'' process, the production from pair annihilations of the bath particles, and the three-body decay process. It is crucial to consider the thermal history during the evolution of FIMPs, as it involves multiple phase transitions occurring prior to the freeze-in of dark matter. Consequently, the scalar masses experience thermal variations, leading to a distinctive evolutionary trajectory for FIMPs when compared to scenarios without accounting for the thermal effects. Notably, the unique pattern of FIMP evolution is accompanied by the production of gravitational waves, presenting promising opportunities for detection using forthcoming interferometers.
- F. Zwicky, Helv. Phys. Acta 6, 110 (1933).
- J. P. Ostriker and P. J. E. Peebles, Astrophys. J. 186, 467 (1973).
- J. A. Peacock et al., Nature 410, 169 (2001), arXiv:astro-ph/0103143 .
- G. Bertone and D. Hooper, Rev. Mod. Phys. 90, 045002 (2018), arXiv:1605.04909 [astro-ph.CO] .
- N. Aghanim et al. (Planck), Astron. Astrophys. 641, A6 (2020), [Erratum: Astron.Astrophys. 652, C4 (2021)], arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO] .
- P. Hut, Phys. Lett. B 69, 85 (1977).
- B. W. Lee and S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 39, 165 (1977).
- E. Aprile et al. (XENON), Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018), arXiv:1805.12562 [astro-ph.CO] .
- V. Khachatryan et al. (CMS), JHEP 10, 129 (2016), arXiv:1606.03577 [hep-ex] .
- M. L. Ahnen et al. (MAGIC, Fermi-LAT), JCAP 02, 039 (2016), arXiv:1601.06590 [astro-ph.HE] .
- A. Tan et al. (PandaX-II), Phys. Rev. Lett. 117, 121303 (2016), arXiv:1607.07400 [hep-ex] .
- D. S. Akerib et al. (LUX), Phys. Rev. Lett. 118, 021303 (2017), arXiv:1608.07648 [astro-ph.CO] .
- J. McDonald, Phys. Rev. Lett. 88, 091304 (2002), arXiv:hep-ph/0106249 .
- K.-Y. Choi and L. Roszkowski, AIP Conf. Proc. 805, 30 (2005), arXiv:hep-ph/0511003 .
- A. Kusenko, Phys. Rev. Lett. 97, 241301 (2006), arXiv:hep-ph/0609081 .
- S. Khan, Eur. Phys. J. C 81, 598 (2021), arXiv:2007.13008 [hep-ph] .
- J. Kim and J. McDonald, Phys. Rev. D 98, 023533 (2018), arXiv:1709.04105 [hep-ph] .
- J. Kim and J. Mcdonald, Phys. Rev. D 98, 123503 (2018), arXiv:1804.02661 [hep-ph] .
- K. Choi and S. H. Im, JHEP 01, 149 (2016), arXiv:1511.00132 [hep-ph] .
- D. E. Kaplan and R. Rattazzi, Phys. Rev. D 93, 085007 (2016), arXiv:1511.01827 [hep-ph] .
- G. F. Giudice and M. McCullough, JHEP 02, 036 (2017), arXiv:1610.07962 [hep-ph] .
- A. Hryczuk and M. Laletin, JHEP 06, 026 (2021), arXiv:2104.05684 [hep-ph] .
- D. Bhatia,  (2023), arXiv:2308.09801 [hep-ph] .
- L. Bian and X. Liu, Phys. Rev. D 99, 055003 (2019), arXiv:1811.03279 [hep-ph] .
- L. Bian and Y.-L. Tang, JHEP 12, 006 (2018), arXiv:1810.03172 [hep-ph] .
- H. Shibuya and T. Toma, JHEP 11, 064 (2022), arXiv:2207.14662 [hep-ph] .
- W. Cheng and L. Bian, Phys. Rev. D 98, 023524 (2018), arXiv:1801.00662 [hep-ph] .
- W. Cheng and L. Bian, Phys. Rev. D 99, 035038 (2019), arXiv:1805.00199 [hep-ph] .
- C.-W. Chiang and B.-Q. Lu, JHEP 07, 082 (2020), arXiv:1912.12634 [hep-ph] .
- H. H. Patel and M. J. Ramsey-Musolf, JHEP 07, 029 (2011), arXiv:1101.4665 [hep-ph] .
- I. Affleck, Phys. Rev. Lett. 46, 388 (1981).
- A. D. Linde, Nucl. Phys. B 216, 421 (1983), [Erratum: Nucl.Phys.B 223, 544 (1983)].
- A. D. Linde, Phys. Lett. B 100, 37 (1981).
- A. H. Guth and E. J. Weinberg, Phys. Rev. D 23, 876 (1981).
- C. L. Wainwright, Comput. Phys. Commun. 183, 2006 (2012), arXiv:1109.4189 [hep-ph] .
- K. Kannike, Eur. Phys. J. C 72, 2093 (2012), arXiv:1205.3781 [hep-ph] .
- F. Takahashi, Phys. Lett. B 660, 100 (2008), arXiv:0705.0579 [hep-ph] .
- Y. Mambrini and K. A. Olive, Phys. Rev. D 103, 115009 (2021), arXiv:2102.06214 [hep-ph] .
- R. Caldwell et al., Gen. Rel. Grav. 54, 156 (2022), arXiv:2203.07972 [gr-qc] .
- P. Amaro-Seoane et al. (LISA),  (2017), arXiv:1702.00786 [astro-ph.IM] .
- J. Luo et al. (TianQin), Class. Quant. Grav. 33, 035010 (2016), arXiv:1512.02076 [astro-ph.IM] .
- J. Mei et al. (TianQin), PTEP 2021, 05A107 (2021), arXiv:2008.10332 [gr-qc] .
- W.-R. Hu and Y.-L. Wu, Natl. Sci. Rev. 4, 685 (2017).
- J. Crowder and N. J. Cornish, Phys. Rev. D 72, 083005 (2005), arXiv:gr-qc/0506015 .
- S. Kawamura et al., PTEP 2021, 05A105 (2021), arXiv:2006.13545 [gr-qc] .
- S. J. Huber and T. Konstandin, JCAP 09, 022 (2008), arXiv:0806.1828 [hep-ph] .
- C. Caprini et al., JCAP 03, 024 (2020), arXiv:1910.13125 [astro-ph.CO] .
Sponsor
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.