当暗光子质量很低的时候,它的标准模型衰变道为A' 3γ。该过程是一圈过程,受到高阶的结构精细常数α和电子质量me的压低。如果选取较小的ϵ(见图6中的白实线和白虚线),可以使得暗光子的寿命长于宇宙寿命,因此可以作为暗物质的候选者。由于其非常低的质量,暗光子的宇宙丰度获取机制与暗物质热退耦合机制完全不同。通常,暗光子暗物质需要通过另外的机制来获得正确的宇宙丰度,例如增强的错位机制、宇宙弦衰变、暴涨涨落等。
上一节我们介绍了几种主要的暗光子实验限制。然而,上述限制并不要求暗光子是暗物质。前面暗光子不是暗物质的情况中,我们需要暗光子的源,不论是实验室主动产生或者是天体作为热源产生。而在暗光子作为暗物质的情况,暗光子有一个宇宙学上给定的能量密度。实际上,暗光子作为暗物质之后,通常实验对其耦合系数的限制还会变得更强。其原因是暗光子暗物质的存在,会通过它对电磁相互作用流的耦合,影响我们的可见物质世界。暗光子暗物质对可见物质的影响,相当于一个广泛存在于空间中暗电磁场。暗电磁场的能量密度等于暗光子暗物质的能量密度,它对可见物质的影响与普通振荡电磁场类似,振荡频率与暗光子的德布罗意频率相同,但是相互作用强度受到耦合系数的压低。对于暗光子暗物质,有以下几类主要的实验限制:
(1)暗光子暗物质对星际物质的加热(图6中标记为DPDM heating):星系里的物质、气体云等含有被电离的自由电子,它们在暗光子暗物质的等效振荡电磁场中被加热,会影响其自身的散热曲线。天文学对星际物质的加热和散热曲线的观测研究,可以限制暗光子暗物质的耦合系数。
(2)暗光子暗物质对宇宙微波背景辐射的影响(图6中标记为DPDM):在宇宙早期,暗光子暗物质可以发生振荡A' γ,成为可见物质世界的光子。因此,额外光子的注入将会破坏宇宙微波背景谱的形状,受到PLANCK卫星实验观测的限制。
(3)暗物质直接探测中的电信号事件:在暗光子暗物质的质量为10-105电子伏特的范围时,当暗光子暗物质进入到直接探测实验探测器内,探测物质的原子核中的电子可以吸收暗光子然后被电离,然后产生电信号事件。因此,暗物质直接探测实验如我国的PandaX、CDEX等均可以限制暗光子暗物质。
(4)实验室谐振腔共振探测(图6中的ADMX、HAYSTAC等):目前实验室通常使用高品质因数的谐振腔,在添加强磁场后用来探测理论上预言的轴子粒子。该类实验也可以用于暗光子暗物质,而且不需要添加磁场。实验通过调整谐振腔的共振频率,对不同质量的暗光子暗物质进行扫描,常见的扫描频率在GHz附近。
(5)实验室宽频谱搜寻(图6中WISPDMX、Dark E-field等)