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Title: Constraints on dark photon dark matter using data from LIGO’s and Virgo’s third observing run
Award ID(s):
2011334 2018420 1912632 1726215 1806990 2110181 1806577 2110360 1806461 1806656 2110509 1912630 1912649 1806824 2110460 2110575 2011786
NSF-PAR ID:
10327952
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Physical Review D
Volume:
105
Issue:
6
ISSN:
2470-0010
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
  2. ABSTRACT

    Using high-resolution cosmological radiation-hydrodynamic (RHD) simulations (thesan-hr), we explore the impact of alternative dark matter (altDM) models on galaxies during the Epoch of Reionization. The simulations adopt the IllustrisTNG galaxy formation model. We focus on altDM models that exhibit small-scale suppression of the matter power spectrum, namely warm dark matter (WDM), fuzzy dark matter (FDM), and interacting dark matter (IDM) with strong dark acoustic oscillations (sDAO). In altDM scenarios, both the halo mass functions and the ultraviolet luminosity functions at z ≳ 6 are suppressed at the low-mass/faint end, leading to delayed global star formation and reionization histories. However, strong non-linear effects enable altDM models to ‘catch up’ with cold dark matter (CDM) in terms of star formation and reionization. The specific star formation rates are enhanced in halos below the half-power mass in altDM models. This enhancement coincides with increased gas abundance, reduced gas depletion times, more compact galaxy sizes, and steeper metallicity gradients at the outskirts of the galaxies. These changes in galaxy properties can help disentangle altDM signatures from a range of astrophysical uncertainties. Meanwhile, it is the first time that altDM models have been studied in RHD simulations of galaxy formation. We uncover significant systematic uncertainties in reionization assumptions on the faint-end luminosity function. This underscores the necessity of accurately modeling the small-scale morphology of reionization in making predictions for the low-mass galaxy population. Upcoming James Webb Space Telescope imaging surveys of deep lensed fields hold potential for uncovering the faint low-mass galaxy population, which could provide constraints on altDM models.

     
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