Dark matter production in the early Universe: Beyond the thermal WIMP paradigm

被引:241
作者
Baer, Howard [1 ]
Choi, Ki-Young [2 ]
Kim, Jihn E. [3 ]
Roszkowski, Leszek [4 ]
机构
[1] Univ Oklahoma, Dept Phys & Astron, Norman, OK 73019 USA
[2] Korea Astron & Space Sci Inst, Taejon 305348, South Korea
[3] Kyung Hee Univ, Dept Phys, Seoul 130701, South Korea
[4] Natl Ctr Nucl Res, PL-00681 Warsaw, Poland
来源
PHYSICS REPORTS-REVIEW SECTION OF PHYSICS LETTERS | 2015年 / 555卷
基金
新加坡国家研究基金会;
关键词
DM theory; Non-thermal DM; Axion; ALPs; Axino; WIMP; Asymmetric DM; Higgs portal; Discrete symmetry; STRONG-CP PROBLEM; X-RAY-LINE; PRIMORDIAL BLACK-HOLES; BACKGROUND POWER SPECTRUM; NATURAL R-PARITY; STERILE NEUTRINOS; COSMOLOGICAL IMPLICATIONS; SUPERSYMMETRY BREAKING; INFLATIONARY UNIVERSE; GRAVITINO PRODUCTION;
D O I
10.1016/j.physrep.2014.10.002
中图分类号
O4 [物理学];
学科分类号
0702 ;
摘要
Increasingly stringent limits from LHC searches for new physics, coupled with lack of convincing signals of weakly interacting massive particle (WIMP) in dark matter searches, have tightly constrained many realizations of the standard paradigm of thermally produced WIMPs as cold dark matter. In this article, we review more generally both thermally and non-thermally produced dark matter (DM). One may classify DM models into two broad categories: one involving bosonic coherent motion (BCM) and the other involving WIMPs. BCM and WIMP candidates need, respectively, some approximate global symmetries and almost exact discrete symmetries. Supersymmetric axion models are highly motivated since they emerge from compelling and elegant solutions to the two fine-tuning problems of the Standard Model: the strong CP problem and the gauge hierarchy problem. We review here non-thermal relics in a general setup, but we also pay particular attention to the rich cosmological properties of various aspects of mixed SUSY/axion dark matter candidates which can involve both WIMPs and BCM in an interwoven manner. We also review briefly a panoply of alternative thermal and non-thermal DM candidates. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.
引用
收藏
页码:1 / 60
页数:60
相关论文
共 622 条
[11]   Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters [J].
Ade, P. A. R. ;
Aghanim, N. ;
Armitage-Caplan, C. ;
Arnaud, M. ;
Ashdown, M. ;
Atrio-Barandela, F. ;
Aumont, J. ;
Baccigalupi, C. ;
Banday, A. J. ;
Barreiro, R. B. ;
Bartlett, J. G. ;
Battaner, E. ;
Benabed, K. ;
Benoit, A. ;
Benoit-Levy, A. ;
Bernard, J. -P. ;
Bersanelli, M. ;
Bielewicz, P. ;
Bobin, J. ;
Bock, J. J. ;
Bonaldi, A. ;
Bond, J. R. ;
Borrill, J. ;
Bouchet, F. R. ;
Bridges, M. ;
Bucher, M. ;
Burigana, C. ;
Butler, R. C. ;
Calabrese, E. ;
Cappellini, B. ;
Cardoso, J. -F. ;
Catalano, A. ;
Challinor, A. ;
Chamballu, A. ;
Chary, R. -R. ;
Chen, X. ;
Chiang, H. C. ;
Chiang, L. -Y ;
Christensen, P. R. ;
Church, S. ;
Clements, D. L. ;
Colombi, S. ;
Colombo, L. P. L. ;
Couchot, F. ;
Coulais, A. ;
Crill, B. P. ;
Curto, A. ;
Cuttaia, F. ;
Danese, L. ;
Davies, R. D. .
ASTRONOMY & ASTROPHYSICS, 2014, 571
[12]   Detection of B-Mode Polarization at Degree Angular Scales by BICEP2 [J].
Ade, P. A. R. ;
Aikin, R. W. ;
Barkats, D. ;
Benton, S. J. ;
Bischoff, C. A. ;
Bock, J. J. ;
Brevik, J. A. ;
Buder, I. ;
Bullock, E. ;
Dowell, C. D. ;
Duband, L. ;
Filippini, J. P. ;
Fliescher, S. ;
Golwala, S. R. ;
Halpern, M. ;
Hasselfield, M. ;
Hildebrandt, S. R. ;
Hilton, G. C. ;
Hristov, V. V. ;
Irwin, K. D. ;
Karkare, K. S. ;
Kaufman, J. P. ;
Keating, B. G. ;
Kernasovskiy, S. A. ;
Kovac, J. M. ;
Kuo, C. L. ;
Leitch, E. M. ;
Lueker, M. ;
Mason, P. ;
Netterfield, C. B. ;
Nguyen, H. T. ;
O'Brient, R. ;
Ogburn, R. W. ;
Orlando, A. ;
Pryke, C. ;
Reintsema, C. D. ;
Richter, S. ;
Schwarz, R. ;
Sheehy, C. D. ;
Staniszewski, Z. K. ;
Sudiwala, R. V. ;
Teply, G. P. ;
Tolan, J. E. ;
Turner, A. D. ;
Vieregg, A. G. ;
Wong, C. L. ;
Yoon, K. W. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2014, 112 (24)
[13]   New Measurement of the Antiproton-to-Proton Flux Ratio up to 100 GeV in the Cosmic Radiation [J].
Adriani, O. ;
Barbarino, G. C. ;
Bazilevskaya, G. A. ;
Bellotti, R. ;
Boezio, M. ;
Bogomolov, E. A. ;
Bonechi, L. ;
Bongi, M. ;
Bonvicini, V. ;
Bottai, S. ;
Bruno, A. ;
Cafagna, F. ;
Campana, D. ;
Carlson, P. ;
Casolino, M. ;
Castellini, G. ;
De Pascale, M. P. ;
De Rosa, G. ;
Fedele, D. ;
Galper, A. M. ;
Grishantseva, L. ;
Hofverberg, P. ;
Leonov, A. ;
Koldashov, S. V. ;
Krutkov, S. Y. ;
Kvashnin, A. N. ;
Malvezzi, V. ;
Marcelli, L. ;
Menn, W. ;
Mikhailov, V. V. ;
Minori, M. ;
Mocchiutti, E. ;
Nagni, M. ;
Orsi, S. ;
Osteria, G. ;
Papini, P. ;
Pearce, M. ;
Picozza, P. ;
Ricci, M. ;
Ricciarini, S. B. ;
Simon, M. ;
Sparvoli, R. ;
Spillantini, P. ;
Stozhkov, Y. I. ;
Taddei, E. ;
Vacchi, A. ;
Vannuccini, E. ;
Vasilyev, G. ;
Voronov, S. A. ;
Yurkin, Y. T. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2009, 102 (05)
[14]   A NEW MECHANISM FOR BARYOGENESIS [J].
AFFLECK, I ;
DINE, M .
NUCLEAR PHYSICS B, 1985, 249 (02) :361-380
[15]   Search for Low-Mass Weakly Interacting Massive Particles Using Voltage-Assisted Calorimetric Ionization Detection in the SuperCDMS Experiment [J].
Agnese, R. ;
Anderson, A. J. ;
Asai, M. ;
Balakishiyeva, D. ;
Thakur, R. Basu ;
Bauer, D. A. ;
Billard, J. ;
Borgland, A. ;
Bowles, M. A. ;
Brandt, D. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Cerdeno, D. G. ;
Chagani, H. ;
Cooley, J. ;
Cornell, B. ;
Crewdson, C. H. ;
Cushman, P. ;
Daal, M. ;
Di Stefano, P. C. F. ;
Doughty, T. ;
Esteban, L. ;
Fallows, S. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Godfrey, G. L. ;
Golwala, S. R. ;
Hall, J. ;
Harris, H. R. ;
Hertel, S. A. ;
Hofer, T. ;
Holmgren, D. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Jastram, A. ;
Kamaev, O. ;
Kara, B. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Kiveni, M. ;
Koch, K. ;
Loer, B. ;
Lopez Asamar, E. ;
Mahapatra, R. ;
Mandic, V. ;
Martinez, C. ;
McCarthy, K. A. ;
Mirabolfathi, N. ;
Moffatt, R. A. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2014, 112 (04)
[16]   Silicon Detector Dark Matter Results from the Final Exposure of CDMS II [J].
Agnese, R. ;
Ahmed, Z. ;
Anderson, A. J. ;
Arrenberg, S. ;
Balakishiyeva, D. ;
Thakur, R. Basu ;
Bauer, D. A. ;
Billard, J. ;
Borgland, A. ;
Brandt, D. ;
Brink, P. L. ;
Bruch, T. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Cerdeno, D. G. ;
Chagani, H. ;
Cooley, J. ;
Cornell, B. ;
Crewdson, C. H. ;
Cushman, P. ;
Daal, M. ;
Dejongh, F. ;
do Couto e Silva, E. ;
Doughty, T. ;
Esteban, L. ;
Fallows, S. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Filippini, J. ;
Fox, J. ;
Fritts, M. ;
Godfrey, G. L. ;
Golwala, S. R. ;
Hall, J. ;
Harris, R. H. ;
Hertel, S. A. ;
Hofer, T. ;
Holmgren, D. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Jastram, A. ;
Kamaev, O. ;
Kara, B. ;
Kelsey, M. H. ;
Kennedy, A. ;
Kim, P. ;
Kiveni, M. ;
Koch, K. ;
Kos, M. ;
Leman, S. W. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 111 (25)
[17]   First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5-350 GeV [J].
Aguilar, M. ;
Alberti, G. ;
Alpat, B. ;
Alvino, A. ;
Ambrosi, G. ;
Andeen, K. ;
Anderhub, H. ;
Arruda, L. ;
Azzarello, P. ;
Bachlechner, A. ;
Barao, F. ;
Baret, B. ;
Barrau, A. ;
Barrin, L. ;
Bartoloni, A. ;
Basara, L. ;
Basili, A. ;
Batalha, L. ;
Bates, J. ;
Battiston, R. ;
Bazo, J. ;
Becker, R. ;
Becker, U. ;
Behlmann, M. ;
Beischer, B. ;
Berdugo, J. ;
Berges, P. ;
Bertucci, B. ;
Bigongiari, G. ;
Biland, A. ;
Bindi, V. ;
Bizzaglia, S. ;
Boella, G. ;
de Boer, W. ;
Bollweg, K. ;
Bolmont, J. ;
Borgia, B. ;
Borsini, S. ;
Boschini, M. J. ;
Boudoul, G. ;
Bourquin, M. ;
Brun, P. ;
Buenerd, M. ;
Burger, J. ;
Burger, W. ;
Cadoux, F. ;
Cai, X. D. ;
Capell, M. ;
Casadei, D. ;
Casaus, J. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2013, 110 (14)
[18]   Results from a Low-Energy Analysis of the CDMS II Germanium Data [J].
Ahmed, Z. ;
Akerib, D. S. ;
Arrenberg, S. ;
Bailey, C. N. ;
Balakishiyeva, D. ;
Baudis, L. ;
Bauer, D. A. ;
Brink, P. L. ;
Bruch, T. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Cooley, J. ;
do Couto e Silva, E. ;
Cushman, P. ;
Daal, M. ;
DeJongh, F. ;
Di Stefano, P. ;
Dragowsky, M. R. ;
Duong, L. ;
Fallows, S. ;
Figueroa-Feliciano, E. ;
Filippini, J. ;
Fox, J. ;
Fritts, M. ;
Golwala, S. R. ;
Hall, J. ;
Hennings-Yeomans, R. ;
Hertel, S. A. ;
Holmgren, D. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Kamaev, O. ;
Kiveni, M. ;
Kos, M. ;
Leman, S. W. ;
Liu, S. ;
Mahapatra, R. ;
Mandic, V. ;
McCarthy, K. A. ;
Mirabolfathi, N. ;
Moore, D. ;
Nelson, H. ;
Ogburn, R. W. ;
Phipps, A. ;
Pyle, M. ;
Qiu, X. ;
Ramberg, E. ;
Rau, W. ;
Reisetter, A. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2011, 106 (13)
[19]   First Results from the LUX Dark Matter Experiment at the Sanford Underground Research Facility [J].
Akerib, D. S. ;
Araujo, H. M. ;
Bai, X. ;
Bailey, A. J. ;
Balajthy, J. ;
Bedikian, S. ;
Bernard, E. ;
Bernstein, A. ;
Bolozdynya, A. ;
Bradley, A. ;
Byram, D. ;
Cahn, S. B. ;
Carmona-Benitez, M. C. ;
Chan, C. ;
Chapman, J. J. ;
Chiller, A. A. ;
Chiller, C. ;
Clark, K. ;
Coffey, T. ;
Currie, A. ;
Curioni, A. ;
Dazeley, S. ;
de Viveiros, L. ;
Dobi, A. ;
Dobson, J. ;
Dragowsky, E. M. ;
Druszkiewicz, E. ;
Edwards, B. ;
Faham, C. H. ;
Fiorucci, S. ;
Flores, C. ;
Gaitskell, R. J. ;
Gehman, V. M. ;
Ghag, C. ;
Gibson, K. R. ;
Gilchriese, M. G. D. ;
Hall, C. ;
Hanhardt, M. ;
Hertel, S. A. ;
Horn, M. ;
Huang, D. Q. ;
Ihm, M. ;
Jacobsen, R. G. ;
Kastens, L. ;
Kazkaz, K. ;
Knoche, R. ;
Kyre, S. ;
Lander, R. ;
Larsen, N. A. ;
Lee, C. .
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2014, 112 (09)
[20]   Low-threshold analysis of CDMS shallow-site data [J].
Akerib, D. S. ;
Attisha, M. J. ;
Baudis, L. ;
Bauer, D. A. ;
Bolozdynya, A. I. ;
Brink, P. L. ;
Bunker, R. ;
Cabrera, B. ;
Caldwell, D. O. ;
Chang, C. L. ;
Clarke, R. M. ;
Cooley, J. ;
Crisler, M. B. ;
Cushman, P. ;
DeJongh, F. ;
Dixon, R. ;
Driscoll, D. D. ;
Filippini, J. ;
Funkhouser, S. ;
Gaitskell, R. J. ;
Golwala, S. R. ;
Holmgren, D. ;
Hsu, L. ;
Huber, M. E. ;
Kamat, S. ;
Mahapatra, R. ;
Mandic, V. ;
Meunier, P. ;
Mirabolfathi, N. ;
Moore, D. ;
Nam, S. W. ;
Nelson, H. ;
Ogburn, R. W. ;
Qiu, X. ;
Rau, W. ;
Reisetter, A. ;
Saab, T. ;
Sadoulet, B. ;
Sander, J. ;
Savage, C. ;
Schnee, R. W. ;
Seitz, D. N. ;
Shutt, T. A. ;
Wang, G. ;
Yellin, S. ;
Yoo, J. ;
Young, B. A. .
PHYSICAL REVIEW D, 2010, 82 (12)