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高能物理 - 现象学

arXiv:2504.15272 (hep-ph)
[提交于 2025年4月21日 ]

标题: 来自最高能量天体粒子事件视角下的自然暴胀中的超重暗物质

标题: Superheavy dark matter from the natural inflation in light of the highest-energy astroparticle events

Authors:Kohta Murase, Yuma Narita, Wen Yin
摘要: 超重暗物质作为粒子暗物质的候选者一直很吸引人。我们提出了一种“自然”的粒子模型,在这种模型中,暗物质在自然暴胀中充当暴胀子,而在能量为$10^{9}-10^{13} \, \text{GeV}$时衰变为高能粒子,这是暴胀预测的结果。一个负责稀释暗物质丰度的标量场使自然暴胀重现。由于暗物质必须是自旋零的标量,我们仔细研究了银河系暗物质三体衰变到费米子和两体衰变到胶子对的情况,并指出了相关的多信使限制,这些限制约束了这些衰变模式。有趣的是,预测的能量尺度可能与 AMATERASU 事件和/或 KM3NeT 中的中微子事件,KM3-230213A 相吻合。我们还指出了一些具有暗重子的粒子模型,以进一步缓解$\gamma$射线限制。这种情景为超高能宇宙射线观测提供了若干可检验的预测,包括不受磁场影响的最高能量中子、张量与标量比、谱指数的运行、$\alpha_s\gtrsim\mathcal{O}(0.001)$以及可能存在轻的新色粒子,这些粒子可能在未来的对撞机实验中被探测到。对高能宇宙射线的进一步测量,包括其成分和详细坐标,可能会提供不仅关于宇宙射线起源,而且关于暴胀的见解。
摘要: Superheavy dark matter has been attractive as a candidate of particle dark matter. We propose a "natural" particle model, in which the dark matter serves as the inflaton in natural inflation, while decaying to high-energy particles at energies of $10^{9}-10^{13} \, \text{GeV}$ from the prediction of the inflation. A scalar field responsible to dilute the dark matter abundance revives the natural inflation. Since the dark matter must be a spin zero scalar, we study carefully the galactic dark matter 3-body decay into fermions and two body decays into a gluon pair, and point out relevant multi-messenger bounds that constrain these decay modes. Interestingly, the predicted energy scale may coincide with the AMATERASU event and/or the KM3NeT neutrino event, KM3-230213A. We also point out particle models with dark baryon to further alleviate $\gamma$-ray bounds. This scenario yields several testable predictions for the UHECR observations, including the highest-energy neutrons that are unaffected by magnetic fields, the tensor-to-scalar ratio, the running of spectral indices, $\alpha_s\gtrsim\mathcal{O}(0.001)$, and the existence of light new colored particles that could be accessible at future collider experiments. Further measurements of high energy cosmic rays, including their components and detailed coordinates may provide insight into not only the origin of the cosmic rays but also inflation.
评论: 36页,5图
主题: 高能物理 - 现象学 (hep-ph) ; 宇宙学与非星系天体物理学 (astro-ph.CO); 高能天体物理现象 (astro-ph.HE)
引用方式: arXiv:2504.15272 [hep-ph]
  (或者 arXiv:2504.15272v1 [hep-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.15272
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: TU-1260

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来自: Yuma Narita [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 4 月 21 日 17:57:50 UTC (1,316 KB)
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