<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD with OASIS Tables with MathML3 v1.2d1 20170631//EN" "JATS-journalpublishing-oasis-article1-mathml3.dtd">
<article article-type="research-article" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:oasis="http://www.niso.org/standards/z39-96/ns/oasis-exchange/table"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">PRD</journal-id><journal-id journal-id-type="coden">PRVDAQ</journal-id><journal-title-group><journal-title>Physical Review D</journal-title><abbrev-journal-title>Phys. Rev. D</abbrev-journal-title></journal-title-group><issn pub-type="ppub">2470-0010</issn><issn pub-type="epub">2470-0029</issn><publisher><publisher-name>American Physical Society</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.115023</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-major"><subject>ARTICLES</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-minor"><subject>Beyond the standard model</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Dark matter Sommerfeld-enhanced annihilation and bound-state decay at finite temperature</article-title><alt-title alt-title-type="running-title">DARK MATTER SOMMERFELD-ENHANCED ANNIHILATION …</alt-title><alt-title alt-title-type="running-author">TOBIAS BINDER, LAURA COVI, AND KYOHEI MUKAIDA</alt-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><name><surname>Binder</surname><given-names>Tobias</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"><sup>1</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n1"><sup>,*</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><name><surname>Covi</surname><given-names>Laura</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"><sup>1</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n2"><sup>,†</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><name><surname>Mukaida</surname><given-names>Kyohei</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a2"><sup>2</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n3"><sup>,‡</sup></xref></contrib><aff id="a1"><label><sup>1</sup></label>Institute for Theoretical Physics, <institution>Georg-August University Göttingen</institution>, Friedrich-Hund-Platz 1, Göttingen, D-37077 Germany</aff><aff id="a2"><label><sup>2</sup></label><institution>Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)</institution>, Notkestraße 85, Hamburg, D-22607 Germany</aff></contrib-group><author-notes><fn id="n1"><label><sup>*</sup></label><p><email>tobias.binder@theorie.physik.uni-goettingen.de</email></p></fn><fn id="n2"><label><sup>†</sup></label><p><email>laura.covi@theorie.physik.uni-goettingen.de</email></p></fn><fn id="n3"><label><sup>‡</sup></label><p><email>kyohei.mukaida@desy.de</email></p></fn></author-notes><pub-date iso-8601-date="2018-12-17" date-type="pub" publication-format="electronic"><day>17</day><month>December</month><year>2018</year></pub-date><pub-date iso-8601-date="2018-12-01" date-type="pub" publication-format="print"><day>1</day><month>December</month><year>2018</year></pub-date><volume>98</volume><issue>11</issue><elocation-id>115023</elocation-id><pub-history><event><date iso-8601-date="2018-09-05" date-type="received"><day>5</day><month>September</month><year>2018</year></date></event></pub-history><permissions><copyright-statement>Published by the American Physical Society</copyright-statement><copyright-year>2018</copyright-year><copyright-holder>authors</copyright-holder><license license-type="creative-commons" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><license-p content-type="usage-statement">Published by the American Physical Society under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International</ext-link> license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP<sup>3</sup>.</license-p></license></permissions><abstract><p>Traditional computations of the dark matter (DM) relic abundance, for models where attractive self-interactions are mediated by light force-carriers and bound states exist, rely on the solution of a coupled system of classical on-shell Boltzmann equations. This idealized description misses important thermal effects caused by the tight coupling among force-carriers and other charged relativistic species potentially present during the chemical decoupling process. We develop for the first time a comprehensive <italic>ab initio</italic> derivation for the description of DM long-range interactions in the presence of a hot and dense plasma background directly from nonequilibrium quantum field theory. Our results clarify a few conceptional aspects of the derivation and show that under certain conditions the finite temperature effects can lead to sizable modifications of DM Sommerfeld-enhanced annihilation and bound-state decay rates. In particular, the scattering and bound states get strongly mixed in the thermal plasma environment, representing a characteristic difference from a pure vacuum theory computation. The main result of this work is a novel differential equation for the DM number density, written down in a form which is manifestly independent under the choice of what one would interpret as a bound or a scattering state at finite temperature. The collision term, unifying the description of annihilation and bound-state decay, turns out to have in general a nonquadratic dependence on the DM number density. This generalizes the form of the conventional Lee-Weinberg equation which is typically adopted to describe the freeze-out process. We prove that our number density equation is consistent with previous literature results under certain limits. In the limit of vanishing finite temperature corrections our central equation is fully compatible with the classical on-shell Boltzmann equation treatment. So far, finite temperature corrected annihilation rates for long-range force systems have been estimated from a method relying on linear response theory. We prove consistency between the latter and our method in the linear regime close to chemical equilibrium.</p></abstract><funding-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="JP"><institution-wrap><institution>Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100001700</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country=""><institution-wrap><institution>World Premier International Research Center Initiative (WPI Initiative)</institution></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="JP"><institution-wrap><institution>Japan Society for the Promotion of Science</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100001691</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="DE"><institution-wrap><institution>Deutsche Forschungsgemeinschaft</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100001659</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>RTG 1493</award-id></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="EU"><institution-wrap><institution>Horizon 2020 Framework Programme</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100010661</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="grant"><funding-source country="EU"><institution-wrap><institution>H2020 Marie Sklodowska-Curie Actions</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100010665</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>690575</award-id><award-id>674896</award-id></award-group></funding-group><counts><page-count count="42"/></counts></article-meta></front><body><sec id="s1"><label>I.</label><title>INTRODUCTION</title><p>The cosmological standard model successfully describes the evolution of the large-scale structure of our Universe. It requires the existence of a cold and collisionless matter component, called dark matter (DM), which dominates over the baryon content in the matter dominated era of our Universe. The Planck satellite measurements of the cosmic microwave background (CMB) temperature anisotropies have nowadays determined the amount of dark matter to an unprecedented precision, reaching the level of subpercentage accuracy in the observational determination of the abundance when combining CMB and external data <xref ref-type="bibr" rid="c1 c2">[1,2]</xref>, e.g., measurements of the baryon acoustic oscillation.</p><p>Interestingly, astrophysical observation and structure formation on subgalactic scales might point toward the nature of dark matter as velocity-dependent self-interacting elementary particles. On the one hand, observations of galaxy cluster systems, where typical rotational velocities are of the order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>km</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, set the most stringent bounds on the self-scattering cross section to be less than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>0.7</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the bullet cluster <xref ref-type="bibr" rid="c3">[3]</xref> (in order to guarantee the production of elliptical halos <xref ref-type="bibr" rid="c4 c5">[4,5]</xref>). On the other hand, a DM self-scattering cross section of the order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>DM</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mi>cm</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:math></inline-formula> on dwarf-galactic scales, where velocities are of the order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn><mml:mi>–</mml:mi><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>km</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, would lead to a compelling solution of the cusp-core and diversity problem without strongly relying on uncertain assumptions of modeling the barionic feedbacks in simulations. This velocity dependence of the self-scattering cross section can naturally be realized in models where a light mediator acts as a long-range force between the dark matter particles. For a recent review on self-interacting DM, see <xref ref-type="bibr" rid="c6">[6]</xref>.</p><p>Generically, long-range forces can lead to sizable modifications of the DM tree-level annihilation cross section in the regime where the annihilating particles are slow. For the most appealing DM candidates, known as weakly interacting massive particles (WIMP) dark matter <xref ref-type="bibr" rid="c7 c8 c9">[7–9]</xref>, such that the relic abundance in the early Universe is set by the thermal freeze-out mechanism when the DM is nonrelativistic, these effects can be sizable already at the time of chemical decoupling. Then the inclusion of the long-range force modification in the computation of the relic abundance is necessary to reach the required level of the accuracy set by the Planck precision measurement <xref ref-type="bibr" rid="c1 c2">[1,2]</xref>. If the light mediators induce an attractive force between the annihilating DM particles, the total cross section is typically enhanced <xref ref-type="bibr" rid="c10 c11">[10,11]</xref> which is often referred to as the Sommerfeld enhancement <xref ref-type="bibr" rid="c12">[12]</xref> or Sakharov enhancement <xref ref-type="bibr" rid="c13">[13]</xref>. Additionally, such attractive forces can lead to the existence of DM bound-state solutions <xref ref-type="bibr" rid="c14 c15 c16">[14–16]</xref>. This opens the possibility for conversion processes between scattering and bound states via radiative processes, influencing the evolution of the abundance of the stable scattering states during the DM thermal history. DM scenarios with Sommerfeld enhancement or with bound states have been widely studied in the literature <xref ref-type="bibr" rid="c17 c18 c19 c20 c21 c22 c23 c24 c25 c26 c27 c28 c29 c30 c31 c32 c33 c34 c35 c36 c37 c38 c39 c40 c41 c42 c43 c44 c45 c46 c47 c48 c49 c50 c51 c52 c53 c54 c55 c56 c57 c58 c59">[17–59]</xref> and it has been shown that the main effect of such corrections is to shift in the parameter space the upper bounds on the DM mass, otherwise the theoretically predicted DM density would be too large (overclosure bound).</p><p>Classic WIMP candidates with large corrections via Sommerfeld enhancement or bound states are particles charged under the electroweak interactions, like the Wino neutralino in supersymmetric models <xref ref-type="bibr" rid="c60">[60]</xref> or the first Kaluza-Klein excitation of the gauge boson in models with extra dimensions <xref ref-type="bibr" rid="c61">[61]</xref>. For the supersymmetric case it was realized very early on by <xref ref-type="bibr" rid="c10 c11">[10,11]</xref> that the Sommerfeld effect reduces the Wino density up to 30% and pushes the mass of the Wino dark matter candidate to few TeVs in order to obtain the correct relic density. These studies have later been extended to the case of general components of the neutralino <xref ref-type="bibr" rid="c29 c30">[29,30]</xref>. Similar and even stronger effects from the Sommerfeld enhancement and bound states were found in the case of coannihilation of the WIMP particle with charged or colored states <xref ref-type="bibr" rid="c31 c32 c33 c34 c35 c36 c37 c38 c39 c40 c41">[31–41]</xref>. If the electroweakly charged dark matter is sufficiently heavy, the Sommerfeld enhancement or the presence of bound states due to the exchange of electroweak gauge or Higgs bosons, see e.g., <xref ref-type="bibr" rid="c42 c43">[42,43]</xref>, are very generic as it was shown e.g., in the minimal dark matter model <xref ref-type="bibr" rid="c40 c44">[40,44]</xref> and in Higgs portal models <xref ref-type="bibr" rid="c45">[45]</xref>. In these cases, long-range force effects play an important role also for the indirect detection limits <xref ref-type="bibr" rid="c14 c15 c46 c47 c48">[14,15,46–48]</xref> and especially for the Wino the Sommerfeld enhancement has lead to the exclusion of most parameter space <xref ref-type="bibr" rid="c49 c50 c51 c52">[49–52]</xref>. Note that this effect can be important also when the dark matter is not itself a WIMP, but it is produced by WIMP decay out of equilibrium, like in the super-WIMP mechanism <xref ref-type="bibr" rid="c62 c63">[62,63]</xref>. Indeed in such a scenario, the DM inherits part of the energy density of the mother particle and so any change in the latter freeze-out density is directly transferred to the superweakly interacting DM and can relax the BBN constraints on the mother particle <xref ref-type="bibr" rid="c53">[53]</xref>.</p><p>While a lot of effort has been made to compute quantitatively the effects of a long-range force on the DM relic density employing the classical Boltzmann equation method, it is still unclear if that is a sufficient description. Indeed, considering the presence of a thermal plasma on the long-range force leads on one side to a possible screening by the presence of a thermal mass, or on the other to the issue if the coherence in the (in principle infinite) ladder diagram exchanges between the two slowly moving annihilating particles is guaranteed. Moreover, from a conceptional point of view, there is yet no consistent formulation in the existing literature of how to deal with long-range forces <italic>at finite temperature</italic>, especially if the dark matter is, or, enters an out-of-equilibrium state (already the standard freeze-out scenario is a transition from chemical equilibrium to out-of-chemical equilibrium). The main concern of our work will be to clarify conceptional aspects of the derivation and the solution of the number density equation for DM particles with attractive long-range force interactions in the presence of a hot and dense plasma background, starting from first principles. From the beginning, we work in the <italic>real-time formalism</italic>, which has a smooth connection to generic out-of-equilibrium phenomena.</p><p>The simplified DM system we would like to describe in the presence of a thermal environment is similar to heavy quarks in a hot quark gluon plasma. For this setup it has been shown that finite temperature effects can lead to a melting of the heavy-quark bound states which influences, e.g., the annihilation rate of the heavy quark pair into dilepton <xref ref-type="bibr" rid="c64">[64]</xref>. For DM or heavy quark systems, the Sommerfeld enhancement at finite temperature has been discussed in the literature, where the chemical equilibration rate is (i) estimated from <italic>linear response theory</italic> <xref ref-type="bibr" rid="c37 c65 c66">[37,65,66]</xref> and (ii) based on <italic>classical</italic> rate arguments <xref ref-type="bibr" rid="c67">[67]</xref>, is then inserted into the <italic>nonlinear</italic> Boltzmann equation for the DM number density “by hand.” Relying on those estimates, it has been shown that the overclosure bound of the DM mass can be strongly affected by the melting of bound states in a plasma environment <xref ref-type="bibr" rid="c55 c56 c57">[55–57]</xref>. However, strictly speaking, the linear response theory method is only applicable if the system is close to chemical equilibrium. Indeed the computation has been done in the <italic>imaginary-time formalism</italic> so far, capturing the physics of thermal equilibrium. One of our goals is to obtain a more general result directly from the <italic>real-time</italic> formalism, valid as well for systems way out of equilibrium.</p><p>Most of the necessary basics of the real-time method we use are provided in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref> as a short review of out-of-equilibrium quantum field theory. Within this mathematical framework, an exact expression for the DM number density equation of our system is derived in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3">III</xref>, where the Sommerfeld-enhanced annihilation or decay rate at finite temperature can be computed from a certain component of a four-point correlation function. We derive the equation of motion for the four-point correlation function on the real-time contour in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4">IV</xref> which becomes in its truncated form a Bethe-Salpeter type of equation. Since we close the correlation functions hierarchy by truncation, the system of coupled equations we have to solve contains only terms with DM two- and four-point functions. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref>, we derive a simple semianalytical solution of the four-point correlator under certain assumptions valid for WIMP-like freeze-outs. Our result does not rely on linear response theory and it is therefore quite general applying also in case of large deviations from chemical equilibrium. The limit of vanishing finite temperature corrections is taken in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6">VI</xref>, showing the consistency between our general results and the classical Boltzmann equation treatment. Here, we also compare to the linear response theory method and clarify the assumptions needed to reproduce those results. Our main numerical results for the finite temperature case are given in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>, both for a gauge theory and for a Yukawa potential, and discussed in detail in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s8">VIII</xref>. Finally, we conclude in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s9">IX</xref>.</p></sec><sec id="s2"><label>II.</label><title>REAL-TIME FORMALISM PREREQUISITES</title><p>The generalization of quantum field theory on the <italic>closed-time-path</italic> (CTP) contour, or <italic>real-time formalism</italic>, is a mathematical method which allows one to describe the dynamics of quantum systems out of equilibrium. Prominent applications are systems on curved space-time and/or systems having a finite temperature. In this work, we assume that the equilibration of DM in the early Universe is a fast process, and consequently, the initial memory effects before the freeze-out process can be ignored. This leads to the fact that the adiabatic assumption for such a system is an excellent approximation, motivating us to take the Keldysh-Schwinger prescription<fn id="fn1"><label><sup>1</sup></label><p>In ordinary QFT the initial vacuum state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> appearing in correlation functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>in</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is equivalent up to a phase to the final vacuum state. For this special situation the operators are ordered along the “flat” time axis ranging from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>in</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>out</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>. By means of Lehmann-Symanzik-Zimmermann (LSZ) reduction formula it is then possible to relate correlation functions to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> matrix and compute cross sections. This in-out formalism breaks down once, e.g., the initial vacuum is not equivalent to the final state vacuum. An expanding background or external sources can introduce such a time dependence. In our work, there are mainly two sources of breaking the time translation invariance. First, since we have a thermal population, we consider traces of time-ordered operator products, where the trace is taken over all possible states. The many particle states are in general time dependent. Second, we have a density matrix next to the time ordering. The CTP, or, in-in formalism we adopt in this work can be, pragmatically speaking, seen as just a mathematical way of how to deal with such more general expectation values. The Keldysh description of the CTP contour applies if initial correlations can be neglected and we refer for a more detailed discussion and limitation to <xref ref-type="bibr" rid="c68">[68]</xref>.</p></fn> of the CTP contour, as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref>. The time contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the Keldysh-Schwinger prescription consists of two branches denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The upper time contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> ranges from the initial time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> while the lower contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is considered to go from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> back to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Therefore, times on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> branch are said to be always later compared to the times on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The time ordering of operator products on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:math></inline-formula> can generically be written as <disp-formula id="d2.1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>≡</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>…</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.1)</label></disp-formula>where the sum is over all the permutations <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>P</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the set of operators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the number of permutations of fermionic operators. The unit step function and the delta distribution on the Keldysh-Schwinger contour is defined as <disp-formula id="d2.2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.2a1">≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="13ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>if</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mover><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:malignmark/><mml:mover><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.2)</label></disp-formula>Correlation functions, i.e., contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:math></inline-formula>-ordered operator products averaged over all states where the weight is the density matrix of the system denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, are defined by <disp-formula id="d2.3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2.3)</label></disp-formula>Let us introduce commonly used notations and properties of two-point correlation functions of fermionic or bosonic operator pairs relevant for this work. Because of the two-time structure, there are four possibilities to align the times <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:math></inline-formula> and hence four different components of a general two-point function denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where in matrix notation it can be written as <disp-formula id="d2.4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.4a1">≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.4a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>θ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mover><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.4)</label></disp-formula>Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> means <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:msup></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the four different components of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are defined as <disp-formula id="d2.5"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(2.5)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.6"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.5a1">≡</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(2.6)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.7"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.5a1">≡</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(2.7)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.8"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.5a1">≡</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(2.8)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> on the r.h.s. of the second line applies for fermionic (bosonic) field operators. From these definitions one can recognize that not all components are independent, namely the following relation holds: <disp-formula id="d2.9"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2.9)</label></disp-formula>Furthermore, let us introduce <italic>retarded</italic> and <italic>advanced</italic> correlators defined by <disp-formula id="d2.10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.10a1">≡</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.10a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.10a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.10)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.10a1">≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.11a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.11a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.11)</label></disp-formula>as well as the <italic>spectral function</italic> given by <disp-formula id="d2.12"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(2.12)</label></disp-formula>From these definitions we can derive further useful properties: <disp-formula id="d2.13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.13a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.13a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.13a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.13)</label></disp-formula>In the case of free (unperturbed) propagators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the following <italic>semigroup</italic> property holds: <disp-formula id="d2.14"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(2.14)</label></disp-formula>This equality can be verified by noticing that for those time configurations the correlators are proportional to on-shell plane waves in Fourier space. Note that there is no time integration in the above equation. Together with the relations in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.13">(2.13)</xref> further semigroup properties can be derived and all important ones are summarized for the use in subsequent sections in Appendix <xref ref-type="app" rid="app1">A</xref>.</p><fig id="f1"><object-id>1</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.115023.f1</object-id><label>FIG. 1.</label><caption><p>Keldysh-Schwinger approximation of the closed-time-path contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:math></inline-formula>, consisting of two time branches <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e115023_1.eps"/></fig><p>As an example, the time integration over the Schwinger-Keldysh contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:math></inline-formula> of products of correlators can be written as <disp-formula id="d2.15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.15a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.15a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>τ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.15a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.15a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.15)</label></disp-formula>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.15">(2.15)</xref> is called a <italic>Lagereth rule</italic> and it is straightforward to work out similar rules for, e.g., different components or double integrations of higher-order products of Keldysh-Schwinger correlators as they will appear later in this work. Let us move on and define <italic>Wigner coordinates</italic> according to <disp-formula id="d2.16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.16)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.17"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.16a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.17)</label></disp-formula>In the second line all variables are 3-vectors. The Wigner-transformed correlators are defined as <disp-formula id="d2.18"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo accent="true" stretchy="false">˜</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.18a1">≡</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.18a1">=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2.18)</label></disp-formula>In all computations, the tilde will be dropped such that we can write for the Fourier transformation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d2.19"><mml:math display="block"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2.19)</label></disp-formula>One of the great advantages of separating microscopic (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) and macroscopic (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) variables according to the Wigner transformation is that Fourier transformations of integral expressions can be considerably simplified by using the <italic>gradient expansion</italic>. For example, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.15">(2.15)</xref> in Fourier space can be written as <disp-formula id="d2.20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.20a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.20a1">≃</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(2.20)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.21"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.20a1">≡</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>·</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>·</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2.21)</label></disp-formula>Throughout this work, such exponentials containing derivatives are always approximated as in the last line, defining the leading order term of the gradient expansion. For homogeneous and isotropic systems the correlators do not depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula> and thus for the spatial part the leading order term is exact. For a discussion of the validity of the leading order term of the temporal part we refer to <xref ref-type="bibr" rid="c69">[69]</xref>. Let us emphasize here, that for typical DM scenarios the leading order term is always assumed to be a very good approximation.</p><p>Next, important properties of two-point correlators in thermal equilibrium are provided. Under this assumption, different components of correlators become related which are otherwise independent. For a system being in equilibrium (here we consider kinetic as well as chemical equilibrium), the density matrix takes the form <disp-formula id="d2.22"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(2.22)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Hamiltonian of the system and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi></mml:math></inline-formula> factor is the inverse temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the system. The density matrix in thermal equilibrium can be formally seen as a time evolution operator, where the inverse temperature is regarded as an evolution in the imaginary time direction. Making use of the cyclic property of the trace it can be shown that under the assumption of equilibrium the components are related via <disp-formula id="d2.23"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2.23)</label></disp-formula>This important property is called the Kubo-Martin-Schwinger (KMS) relation, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula>) applies for two-point correlators of fermionic (bosonic) operators. Furthermore, in equilibrium the correlators should depend only on the difference of the time variables due to time translation invariance. Consequently, the KMS condition in Fourier space reads <disp-formula id="d2.24"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2.24)</label></disp-formula>From this condition, various equilibrium relations follow: <disp-formula id="d2.25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d2.25a1">=</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.25a1">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.25)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.26"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.25a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d2.27a1">+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.26)</label></disp-formula>where the Fermi-Dirac or Bose-Einstein phase-space densities are given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Thus in equilibrium, all correlator components can be calculated from the retarded/advanced components, where the spectral function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> is related to those via Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.12">(2.12)</xref>.</p><p>General out-of-equilibrium observables, like the dynamic of the number density or spectral information of the system, can be directly inferred from the equation of motions (EoM) of the corresponding correlators. Throughout this work, we derive the correlator EoM from the invariance principle of the path integral measure under infinitesimal perturbations of the fields. The equivalence of CTP correlators and the path integral formulation is given by <disp-formula id="d2.27"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo id="d2.27a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>…</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math><label>(2.27)</label></disp-formula>and the action on the <italic>CPT</italic> contour is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> collectively represents the fields, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> stands for a state that could be either pure or mixed, as in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.3">(2.3)</xref>. The second integral in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.27">(2.27)</xref> is a path integral with a boundary condition of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at the initial time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> that we take to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the Schwinger-Keldysh prescription of the contour, and the first one takes the average of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with the weight of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Now, to derive the EoM for two-point correlators, let us consider an infinitesimal perturbation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:msup><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, satisfying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. By relying on the measure-invariance principle under this transformation, one obtains the EoM of the two-point correlators from <disp-formula id="d2.28"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo id="d2.28a1">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.28)</label></disp-formula><disp-formula id="d2.29"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>⇒</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2.28a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2.29)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">L</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents a derivative acting from the left. The same procedure can be applied to the case of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>O</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as well as for deriving the EoM of higher correlation functions. The relation between the abstract EoM of correlators and differential equations for observables will be part of the next section. In general, a correlator EoM depends on higher and lower correlators which is called the Martin-Schwinger hierarchy. For systems where the coupling expansion is appropriate, it might be sufficient to work in the one-particle self-energy approximation, where the EoM are closed in terms of two-point functions, and the kinetic equations can systematically be obtained by expanding the DM self-energy perturbatively in the coupling constant. The kinetic equations of two-point functions in the self-energy approximation are also known as the Kadanoff-Baym equations. For example, at next-to-leading order (NLO) in the self-energy expansion of the two-point correlators the standard Boltzmann equation is recovered.</p><p>Finite temperature corrections to nonperturbative systems, e.g., Sommerfeld-enhanced DM annihilations or bound-state decays, where a subclass of higher-order diagrams becomes comparable to the leading order (LO) in vacuum, are less understood in the CTP formalism. The strategy in the next section will be to address this issue by going beyond the one-particle self-energy approximation <xref ref-type="bibr" rid="c69">[69]</xref>. More precisely, we derive the exact Martin-Schwinger hierarchy of our particle setup in the CTP formalism by using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.29">(2.29)</xref> and truncate the hierarchy at the six-point function level. The system of equations is then closed with respect to two- <italic>and four-point</italic> functions. This approach allows us to account for the resummation of the Coulomb diagrams and their finite temperature corrections at the same time. Furthermore, we show how to extract the DM number density equation from the EoM of two-point functions and that it depends on the four-point correlator. The complication is that the differential equation of the four-point correlator is coupled to the two-point correlator and in subsequent sections we solve this coupled systems of equations.</p></sec><sec id="s3"><label>III.</label><title>EQUATIONS OF MOTION IN REAL-TIME FORMALISM FOR NONRELATIVISTIC PARTICLES IN A RELATIVISTIC PLASMA ENVIRONMENT</title><p>Throughout this paper, we consider the following minimal scenario capturing important effects to study long-range force enhanced DM annihilations and bound states under the influence of a hot and dense plasma environment: <disp-formula id="d3.1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo id="d3.1a1">=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mo>∂</mml:mo></mml:menclose><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mo>∂</mml:mo></mml:menclose><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d3.1a1">-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.1)</label></disp-formula>The particles of the equilibrated plasma environment with temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the Abelian mediators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the light fermionic particles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Fermionic DM <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is assumed to be nonrelativistic, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. All fermionic particles are considered to be of Dirac type. We assume the mediator to be massless; however, we provide the final results also for the case of a massive <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>Let us illustrate how we can get the DM nonrelativistic effective action in the thermal medium of light particles. It is obtained in two steps. First, hard modes of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> are integrated out. In this limit, the DM four-component spinor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> splits into two parts, a term for the particle denoted by the two-component spinor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and a term for the antiparticle denoted by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Second, we assume that DM does not influence the plasma environment during the freeze-out process. This is typically the case since the DM energy densities are smaller than that of light particles at this epoch. And thus, we may also integrate out the plasma fields by assuming they remain in thermal equilibrium. The resulting effective action on the CTP contour for particle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and anti-particle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> DM is given by <disp-formula id="d3.2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>NR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo id="d3.2a1">=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d3.2a1">+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.2)</label></disp-formula>Dark matter long-range force interactions are encoded in the first term of the interactions in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.2">(3.2)</xref>. This term includes the current and the full two-point correlator of the electric potential on the CTP contour which are defined by <disp-formula id="d3.3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d3.3a1">≡</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.3a1">≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.3)</label></disp-formula>respectively. The last term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.2">(3.2)</xref> describes the annihilation part and we only keep the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave contribution <disp-formula id="d3.4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d3.4a1">≡</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.4a1">≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.4)</label></disp-formula>with the fine-structure constant being <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and summation over the spin indices are implicit. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is shown in the matrix representation of the CTP formalism; see e.g., Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.4">(2.4)</xref> in previous section. Hence the delta functions on the right-hand side are defined on the usual real-time axis. Similar to the vacuum theory, the annihilation part <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be computed by cutting the box diagram (containing two <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) and the vacuum polarization diagram (containing one <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and a loop of light fermions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>), where now all propagators are defined on the <italic>CPT</italic> contour. Finite temperature corrections to these hard processes in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are neglected<fn id="fn2"><label><sup>2</sup></label><p>Assuming free plasma field correlators in the computation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a good approximation since the energy scale of the hard process is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> which is much larger for nonrelativistic particles than typical finite temperature corrections being of the order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Consequently, the dominant thermal corrections should be in the modification of the long-range force correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where the typical DM momentum-exchange scale enters which is much lower compared to the annihilation scale.</p></fn> and for a derivation we refer to Appendix <xref ref-type="app" rid="app2">B</xref>.</p><p>In our effective action Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.2">(3.2)</xref>, we have discarded higher order terms in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> (like magnetic interactions) and also interactions with ultrasoft gauge bosons,<fn id="fn3"><label><sup>3</sup></label><p>To fully study the out-of-equilibrium dynamics of the bound-state formation <xref ref-type="bibr" rid="c21 c22 c42 c70">[21,22,42,70]</xref> at late times of the freeze-out process, it is necessary to include emission and absorption via ultrasoft gauge bosons, e.g., via an electric dipole operator. We drop for simplicity ultrasoft contributions and discuss in detail the limitation of our approach later in this work; see Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6">VI</xref>. Note here that at high enough temperature those processes are typically efficient, leading just to the ionization equilibrium among bounded and scattering states. As long as ionization equilibrium is maintained, the effective action we use is sufficient enough to describe Sommerfeld enhanced annihilation and bound-state decay at finite temperature. To estimate the time when the ionization equilibrium is violated concretely, we have to take into account these processes in the thermal plasma, which will be presented elsewhere. In vacuum, ionization equilibrium starts to become violated when the decay width of the lowest bound state exceeds the ionization rate.</p></fn> since we focus on threshold singularities of annihilations at the leading order in the coupling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the velocity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Furthermore, our effective field theory is non-Hermitian because we have integrated out (or traced out) hard and thermal degrees of freedom (d.o.f.). The first source of non-Hermite nature is the annihilation term which originates from the integration of hard d.o.f. A similar term would also be present in vacuum <xref ref-type="bibr" rid="c10 c11 c46">[10,11,46]</xref> and belongs to the ++ component of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Thus, as a first result we have generalized the annihilation term towards the CTP contour. Another one stems from the gauge boson propagator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> that encodes interactions with the thermal plasma. While the annihilation term containing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in our action breaks the number conservation of DM, the interaction term containing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> can not. From this observation, one may anticipate that the non-Hermitian potential contributions of the gauge boson propagator never lead to a violation of the DM particle or antiparticle number conservation. Later, we will show this property directly from the EoM, respecting the global symmetries of our action.</p><p>In the next sections we proceed as in the following. First, we compute the finite temperature one-loop corrections contained in the potential term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> explicitly. Since the number density of DM becomes Boltzmann suppressed in the nonrelativistic regime of the freeze-out process, the dominant thermal loop contributions arise from the relativistic species <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This implies that we can solve for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> independently of the DM system since we assume DM does not modify the property of the plasma. The correction terms for the DM self-interactions are screening effects on the electric potential, as well as imaginary contributions arising from soft DM-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> scatterings, derived and discussed in detail in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3a">III A</xref>. Second, in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3b">III B</xref> the kinetic equations for the DM correlators are derived. We show how to extract from these equations the number density equation, including finite temperature corrected processes for the negative energy spectrum (bound-state decays) as well as for the positive energy contribution (Sommerfeld-enhanced annihilation) in one single equation.</p><sec id="s3a"><label>A.</label><title>Thermal corrections to potential term</title><p>In this section, we briefly summarize how the electric component of the mediator propagator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> gets modified by the thermal presence of ultrarelativistic <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> fields. The plasma environment is regarded to be perturbative and in the one-particle self-energy framework we can write down the Dyson equation on the Schwinger-Keldysh contour for the mediator: <disp-formula id="d3.5"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(3.5)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.6"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.5a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(3.6)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> are unperturbed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> correlators. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are assumed to be in equilibrium and thus, according to the discussion in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>, we only need to compute the retarded/advanced propagators. From those, we can construct all other components by using the KMS condition. The Dyson equation for retarded (advanced) mediator-correlator can be obtained by subtracting the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> component of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.5">(3.5)</xref> from the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> component of the same equation. In momentum space this results in <disp-formula id="d3.7"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(3.7)</label></disp-formula>where the mediator’s retarded self-energy is defined as <disp-formula id="d3.8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo id="d3.8a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.8)</label></disp-formula>A sketch of efficiently calculating the thermal one-loop Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.8">(3.8)</xref> is provided in Appendix <xref ref-type="app" rid="app3">C</xref>. In the computation we utilize the <italic>hard thermal loop</italic> (HTL) approximation <xref ref-type="bibr" rid="c71">[71]</xref> to extract leading thermal corrections.<fn id="fn4"><label><sup>4</sup></label><p>Let us briefly summarize here the assumptions of the HTL approximation. First, we drop all vacuum contributions and only keep temperature dependent parts. Second, we assume the external energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and momentum <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be much smaller than typical loop momentum <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi></mml:math></inline-formula> which is of the order temperature (see Appendix <xref ref-type="app" rid="app3">C</xref>). The discussion of the validity of the HTL approximation depends on where the dressed mediator correlator is attached to. One can not naively argue for the case where one would attach it to the DM correlator that the external momentum <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the DM momentum which is of course much larger than temperature, thus invalidating the HTL approximation by this argumentation. For example, in our case the dressed mediator correlator enters the DM single-particle self-energy (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref> and Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5c">V C</xref>) and the dominant energy and momentum region in the loop diagram is where HTL effective theory is valid.</p></fn> In the HTL approximation we are allowed to resum the self-energy contributions of the retarded/advanced component and the result is gauge independent. We work in the noncovariant Coulomb gauge which is known to be fine at finite temperature since Lorentz invariance is anyway broken by the plasma temperature. We find for the dressed longitudinal component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ν</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> of the mediator propagator in the HTL resummed self-energy approximation and in the Coulomb gauge the following: <disp-formula id="d3.9"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>00</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(3.9)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>00</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.9a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow other="silent"><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow other="silent"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.10)</label></disp-formula>where we introduced the Debye screening mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>. One can recognize that there is correction to the real part of the mediator propagator as well as a branch cut for spacelike exchange. Using the equilibrium relation Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.26">(2.26)</xref>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> component of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the static limit reads <disp-formula id="d3.11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d3.11a1">=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow other="silent"><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow other="silent"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.11a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.11)</label></disp-formula>while for a massive mediator we have simply <disp-formula id="d3.12"><mml:math display="block"><mml:munder><mml:mi>lim</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(3.12)</label></disp-formula>The static <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> component is of special importance for describing DM long-range interactions in a plasma environment as we will see later in this work. The first term in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.11">(3.11)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.12">(3.12)</xref> will result in a screened Yukawa potential after Fourier transformation while the second terms will lead to purely imaginary contributions. Physically, the latter part originates from the scattering of the photon with plasma fermions, leading to a damping rate <xref ref-type="bibr" rid="c72">[72]</xref>. Indeed in the quasiparticle picture, the mediator has a limited propagation time within the plasma, which limits as well the coherence of the mediator exchange processes. For what regards the DM particles, this term will later give rise to DM-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> scattering with zero energy transfer, leading also to a thermal width for the DM states. In the following sections, we try to keep generality and work in most of the computations with the unspecified form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and take just at the very end the static and HTL limit. Let us finally remark that the simple form of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.12">(3.12)</xref> allows us to achieve semianalytical results for the DM annihilation or decay rates in the presence of a thermal environment.</p></sec><sec id="s3b"><label>B.</label><title>Exact DM number density equation from correlator equation of motion</title><p>The main purpose of this section is to derive the equation for the DM number density directly from the exact EoM of our nonrelativistic action. Defining the DM particle and antiparticle correlators as <disp-formula id="d3.13"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(3.13)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.14"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.13a1">≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(3.14)</label></disp-formula>we derive respective EoM from the path-integral formalism, as briefly explained at the end of Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>, for the nonrelativistic effective action <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>NR</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.2">(3.2)</xref>: <disp-formula id="d3.15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d3.15a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.15)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.16)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.17"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.15a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.17)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.18"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.15a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.18)</label></disp-formula>The anticipated structure in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.15">(3.15)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d3.18">(3.18)</xref> shows the dependence of the two-point correlators on higher correlation functions. Here, the curly brackets stand for the summation over the spin indices and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the current as already introduced in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.3">(3.3)</xref>. It might be helpful to mention that we used a special property of two-point functions of Hermitian bosonic field operators: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. This exact property can be verified directly from the definition in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.3">(3.3)</xref>.</p><p>In the following, the number density equation of particle and antiparticle DM is derived from this set of differential equations. First of all, we would like to clarify what is the number density in terms of fields appearing in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>NR</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.2">(3.2)</xref>. For this purpose, let us switch off the annihilation term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>NR</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and seek for conserved quantities. In this limit, the theory has the following global symmetries: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↦</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↦</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The associated Noether currents for the DM particle and antiparticle are <disp-formula id="d3.19"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d3.19a1">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.19a1">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.19)</label></disp-formula>The thermal-averaged zeroth component is the number density and the average over spatial component results in the current density. We obtain the differential equation for the two DM currents directly from the two-point function EoM, by subtracting Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.16">(3.16)</xref> from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.15">(3.15)</xref> and Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.18">(3.18)</xref> from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.17">(3.17)</xref>, and by taking the spin-trace and the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For the particle DM, we obtain as an intermediate result after all these steps: <disp-formula id="d3.20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo id="d3.20a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow other="silent"><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.20a1">=</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d3.20a1">-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3.20)</label></disp-formula>The trace and the curly brackets indicate the summation over the spin indices. It is important to note that the first line in the second equality cancels out, even in the case of a fully interacting correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> including finite temperature corrections. Thus, we confirm from the EoM that, e.g., non-Hermitian potential corrections arising from soft thermal DM-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> scatterings in the HTL approximation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> [see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.11">(3.11)</xref>], never violate the current conservation of each individual DM species. For a homogeneous and isotropic system (vanishing divergence of current density) this would mean that the individual number densities of particles and antiparticles do not change by self-scattering processes, real physical DM-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> scatterings, soft DM-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> scatterings or other finite temperature corrections leading to potential contributions in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>It can be recognized, that the current conservation is only violated by the annihilation term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the last line in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.20">(3.20)</xref>, since this contribution does not cancel to zero. This term can be simplified by using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.4">(3.4)</xref> and by fixing the time component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> to either <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. We have explicitly checked that both choices of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> lead to the same final result. With the definition of the four-point correlator on the closed-time-path contour <disp-formula id="d3.21"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(3.21)</label></disp-formula>we obtain our final form of the current equations: <disp-formula id="d3.22"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(3.22)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.23"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3.22a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(3.23)</label></disp-formula></p><p>The current conservation is only violated by contributions coming from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. This is consistent with the expectations from the symmetry properties of the action when annihilation is turned on. Namely, only a linear combination of both global transformations leaves the action invariant which leads to the conservation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is nothing but the DM asymmetry current conservation. The conservation of the total DM number density, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, is violated by the annihilation term.</p><p>Before we discuss the four-point correlator appearing in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.22">(3.22)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.23">(3.23)</xref> in detail, let us now assume a Friedman-Robertson-Walker universe and make the connection to the Boltzmann equation for the number density that is typically adopted in the literature when calculating the thermal history of the dark matter particles. First, the spatial divergence on the left-hand side of the current Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.22">(3.22)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.23">(3.23)</xref> vanishes due to homogeneity and isotropy. Second, the adiabatic expansion of the background introduces a Hubble expansion term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Third, it can be seen from the sign of the right-hand side of the current equations that only a DM loss term occurs. The production term is missing because we have assumed <italic>a priori</italic>, when deriving the nonrelativistic action, that the DM mass is much larger than the thermal plasma temperature. Within this mass-to-infinity limit the DM production term is set to zero in the computation of the annihilation term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and not expected to occur. Let us therefore add on the r.h.s. of the current equations <italic>a posteriori</italic> the production term of the DM via the assumption of detailed balance, resulting in the more familiar number density equations: <disp-formula id="d3.24"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(3.24)</label></disp-formula><disp-formula id="d3.25"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow other="silent"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow other="silent"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(3.25)</label></disp-formula></p><p>The tree-level s-wave annihilation cross section of our system was defined as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the last term means the evaluation at thermal equilibrium. Note that in the CTP formalism a cross section strictly speaking does not exist. The reason why this result is equal to the vacuum computation is because we computed the annihilation part <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at the leading order, where it is expected that zero and finite temperature results should coincide. The correlation function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> however is fully interacting. We summarize with two concluding remarks on our main results: <list list-type="roman-lower"><list-item><label>(i)</label><p><italic>Sommerfeld-enhancement factor at finite temperature:</italic> One of our findings is that the Sommerfeld factor is contained in a certain component of the interacting four-point correlation function, namely <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. This result is valid for a generic out-of-equilibrium state of the dark matter system. The remaining task is to find a solution for this four-point correlator. As we will see later, the solution can be obtained from the Bethe-Salpeter equation on the CTP contour, derived in the next section. For example, expanding the Bethe-Salpeter equation to zeroth order in the DM self-interactions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and inserting this into Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.25">(3.25)</xref> would result in a well-known expression for the number density equation of the DM particles with velocity-independent annihilation. As we will see later, higher terms in the interaction or a fully nonperturbative solution contain the finite temperature corrected negative and positive energy spectrum. In other words, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> contains both, the bound-state <italic>and</italic> scattering state contributions at the same time and at finite temperature they turn out to be not separable as it is sometimes done in vacuum computations. Bound state contributions will automatically change the cross section into a decay width and thus, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> appearing on the l.h.s. of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref> is the <italic>total</italic> number of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles including the ones in the bound states and similar interpretation for the antiparticle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(ii)</label><p><italic>Particle number conservation:</italic> In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3a">III A</xref>, we have seen that the thermal corrections to the mediator propagator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> can contain, next to the real Debye mass, an imaginary contribution. It was shown that these non-Hermitian corrections to the potential never violate the particle number conservation due to the exact cancellation of the second line in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.20">(3.20)</xref>. This was expected from the beginning, since, when switching off the annihilation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the nonrelativistic action in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.2">(3.2)</xref> has two global symmetries <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↦</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↦</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The conserved quantities are the particle and antiparticle currents in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.22">(3.22)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.23">(3.23)</xref> in the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> (vanishing r.h.s.). When annihilation is included, the nonrelativistic action is only invariant if both global transformations are performed at the same time, resulting in the conserved asymmetry current <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We conclude that thermal corrections can never violate these symmetries, even not at higher loop level. On the other hand, the solution of the Sommerfeld factor is contained in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and hence the annihilation rate will depend on the thermal loop corrected long-range mediator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as we will see in the next section.</p></list-item></list></p></sec></sec><sec id="s4"><label>IV.</label><title>TWO-TIME BETHE-SALPETER EQUATIONS</title><p>The exact number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref> depends on the Keldysh four-point correlation function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. In this section, we derive the system of closed equation of motion needed in order to obtain a solution for this four-point function, including the full resummation of Coulomb divergent ladder diagrams. The result will be a coupled set of two-time Bethe-Salpeter equations on the Keldysh contour as given by the end of this section, Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref>. They apply in general for out-of-equilibrium situations and include in their nonperturbative form also the bound-state contributions if present. In order to arrive at those equations, a set of approximations and assumptions is needed. We therefore would like to start from the beginning in deriving those equations, which might lead to a better understanding of their limitation.</p><p>In the first simplification, we treat the annihilation term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a perturbation and ignore it in the following computations, since the leading order term in the annihilation part is already contained in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref>. The exact set of EoMs for two- and four-point functions in the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> are given by <disp-formula id="d4.1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(4.1)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.1a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(4.2)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.1a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4.3)</label></disp-formula>where we will work for the rest of this work with the conjugate antiparticle correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and, here, the spin-uncontracted correlators are defined as <disp-formula id="d4.4"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(4.4)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.5"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.4a1">≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(4.5)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.6"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.4a1">≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(4.6)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.7"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.4a1">≡</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.7)</label></disp-formula>The EoMs for the two-point functions Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.1">(4.1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.2">(4.2)</xref> are equivalent to Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.15">(3.15)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.17">(3.17)</xref> in the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and we have just rewritten them in terms of the four-point correlators and conjugate antiparticle propagator, defined in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.4">(4.4)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.7">(4.7)</xref>. In our notation, the spinor indices of the operators having equal space-time arguments in the four-point correlators are summed and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>J</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the current as defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.3">(3.3)</xref>. The different conventions for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> four-point correlators are because <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> are the creation operators. From the exact differential equation of the four-point correlator in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.3">(4.3)</xref>, it can be seen that the correlator hierarchy is still not closed yet, since it depends on the six-point function. We close this hierarchy of correlators by truncating the six-point function at the leading order: <disp-formula id="d4.8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4.8)</label></disp-formula>i.e., <italic>only the integral kernel of the six-point function containing the eight-point function was dropped</italic>. The set of correlator differential equations is now closed under this truncation procedure. A fully self-consistent solution requires in principle to solve the equations for the five correlators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> simultaneously. This is beyond the scope of this work and we have to further approximate the system in order to obtain at least a simple semianalytical solution at the end.</p><p>The solution of our target component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can formally be decoupled from the solution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> by approximating the latter two quantities as the leading order contribution (dropping the integral kernel, known as Hartree-Fock approximation). Then, one can recognize that <disp-formula id="d4.9"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(4.9)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.10"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.9a1">≃</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.10)</label></disp-formula>In both equations, the last step is a strict equality only if the DM particle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and antiparticle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> number densities are equal. This is true if there is no DM asymmetry which we will assume throughout this work.</p><p>In the last approximation, we perform a coupling expansion of Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.1">(4.1)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.3">(4.3)</xref>. After inserting the results of the two-point functions into the equation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, by using the relations Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.9">(4.9)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.10">(4.10)</xref> in the free limit, we obtain for the four-point correlator to the leading order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d4.11"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d4.11a1">≃</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.11a1">+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(4.11)</label></disp-formula>where in the last two terms, particle and antiparticle are disconnected and we have introduced the <italic>single-particle self-energies</italic> according to <disp-formula id="d4.12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.12a1">≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:malignmark/><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4.12)</label></disp-formula>The first integral term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.11">(4.11)</xref> contains the ladder diagram exchange between particle and antiparticle. Similar equations for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can also be obtained by applying the same steps. In order to obtain the spectrum of bound-state solutions as well as a fully nonperturbative treatment of the Sommerfeld-enhancement we have to resumm Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.11">(4.11)</xref> somehow.</p><p>We define our resummation scheme of the four-point correlator by resumming the ladder exchange, as well as the self-energy contributions in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.11">(4.11)</xref> on an equal footing.</p><p>In other words, we are resumming the leading order terms in the coupling expansion of the four-point correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and similar for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. On the one hand, this is a critical point, since this procedure is not exact and we cannot guarantee that other contributions do not play an important role as well, e.g., one of the limitations are systems with large coupling constants or large DM density where we cannot decouple the solution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The latter limitation might not be a problem since when focussing on the freeze-out the DM density becomes dilute. On the other hand, as we will discuss in detail later in this work, the final result based on this resummation scheme behaves physically, fulfils KMS condition in equilibrium,<fn id="fn5"><label><sup>5</sup></label><p>Another resummation scheme for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> we tested can be obtained directly after the steps of the truncation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.8">(4.8)</xref> and Hartree-Fock approximation in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.9">(4.9)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.10">(4.10)</xref>. After some algebra, this would result in the Bethe-Salpeter equation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Note that this equation would be equivalent to the original vacuum BS equation when naively extending the time integration in the latter equation towards the Keldysh contour <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The main difference here compared to our resummation scheme is that the two-point functions are fully interacting. The l.h.s. of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> component of this equation fulfils the KMS condition in equilibrium, when taking the two-time limit. The right-hand side depends in general on three times. It can be reduced to only two times by assuming a static form for the mediator correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msub><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Integrating over Keldysh-contour delta function leads to the fact that also the r.h.s. fulfils the KMS condition. However, this is a strong assumption on the form of the mediator correlation function, sending the off-diagonal terms <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> to zero. The simplest possibility to take into account the off-diagonal terms and at the same time obtain a two-time structure also of the r.h.s. would be to assume that every component of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> is proportional to a time delta function. A crucial observation we have made is that this type of approximation seems to violate the KMS condition through the off-diagonal terms, although the r.h.s. has a two-time structure. The reason might be in the resummation of different orders in the coupling, as caused by the interacting DM two-point correlators in the BS kernel. The coupling expansion and the resummation of terms of equal order in the coupling parameter (our scheme), seems to be essential in order to obtain our final BS Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref>, fulfilling the KMS condition.</p></fn> reproduces the correct vacuum limit, enables us to study bound states and DM Sommerfeld-enhanced annihilation at finite temperature, and in some other limits we recover the literature results based on linear response theory. Furthermore, a combined resummation of one-particle self-energies and ladder-diagram exchanges seems to be necessary at finite temperature, since similar combinations would also occur when calculating the effective potential from Wilson-loop lines <xref ref-type="bibr" rid="c73">[73]</xref> guaranteeing the gauge invariance.</p><p>Before we can resum Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.11">(4.11)</xref>, we need some further exact rearrangements and manipulations of the four-point function components. Since we are interested in the solution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> at equal times, it is sufficient to only consider two-time four-point functions, where we will adopt the short notation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Certain combinations of the components of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.11">(4.11)</xref> turn out to be closed, e.g., let us define<fn id="fn6"><label><sup>6</sup></label><p>This combination is not obvious at first, but when subtracting the advanced component from the retarded it can be shown that the resulting spectral function has a similar completeness relation as the spectral function of two-point correlators <xref ref-type="bibr" rid="c74">[74]</xref>.</p></fn> <disp-formula id="d4.13"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.13a1">≡</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.13a1">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(4.13)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.14"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.13a1">≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.14a1">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.14)</label></disp-formula>In the following we will show that, by using the semigroup properties of free correlators, the following structure of the retarded equations can be achieved: <disp-formula id="d4.15"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.15a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.15a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.15a1">⁢</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(4.15)</label></disp-formula>and similar for the advanced. The precise terms contained in the two-particle self-energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> will be given later. From the form of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.15">(4.15)</xref> it is clear that our resummation scheme as described above is just the replacement of the free two-point correlators at the end by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>Let us in the following sketch the way to obtain this resummable structure. The first term on the r.h.s. in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.15">(4.15)</xref> can be obtained by using simple relations <disp-formula id="d4.16"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.16a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.16)</label></disp-formula>In the last step we used <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for equal time products and when multiplying this with the unit step function as in the definition Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.13">(4.13)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.14">(4.14)</xref> this just projects out the respective product. The integral term is more complicated. Let us consider for simplicity only the last integral term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.11">(4.11)</xref> and perform the sum over the different contributions of the components for the retarded two-time four-point correlator, resulting in <disp-formula id="d4.17"><mml:math display="block"><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(4.17)</label></disp-formula>where the retarded one-particle self-energy is defined as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Since all propagators are free, we can use the semigroup property (see also Appendix <xref ref-type="app" rid="app1">A</xref>) <disp-formula id="d4.18"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.18a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.18a1">&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.18)</label></disp-formula>For brevity, we suppress the space integration here. This property can be used in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.17">(4.17)</xref> since the times satisfy the inequality due to the product of retarded correlators, resulting in <disp-formula id="d4.19"><mml:math display="block"><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.19a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.19a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.19)</label></disp-formula>Comparing with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.15">(4.15)</xref>, we indeed find the anticipated structure. Applying similar steps to all integral terms in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.11">(4.11)</xref>, we find the following <italic>two-time Bethe-Salpeter equations</italic>:<fn id="fn7"><label><sup>7</sup></label><p>Similar equations where also obtained in <xref ref-type="bibr" rid="c74">[74]</xref>, although the derivation, particle content, and potential is slightly different compared to ours. Nevertheless, further helpful steps for bringing the integral terms into a resumable form by using semigroup properties can be found in the Appendix of <xref ref-type="bibr" rid="c74">[74]</xref>.</p></fn><disp-formula id="d4.20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.20a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.20a1">+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.20a1">+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4.20)</label></disp-formula><italic>with</italic> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <italic>and</italic> <disp-formula id="d4.21"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d4.21a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.21)</label></disp-formula></p><p>The products of free correlators are defined as <disp-formula id="d4.22"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d4.22a1">≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.22a1">≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(4.22)</label></disp-formula>and similar for the other components, e.g., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Furthermore, we introduced the <italic>two-particle self-energies</italic> according to <disp-formula id="d4.23"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.23a1">≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.23a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.23a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(4.23)</label></disp-formula>where the retarded single-particle self-energy is defined in terms of the components of the definition Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.20">(5.20)</xref>, namely <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The advanced two-particle self-energy is given by <disp-formula id="d4.24"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.24a1">≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.24a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.24a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(4.24)</label></disp-formula>and the most important statistical components are defined by <disp-formula id="d4.25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.25a1">≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.25a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4.25)</label></disp-formula><disp-formula id="d4.26"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d4.25a1">≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4.25a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4.26)</label></disp-formula>A graphical illustration of the resummation scheme for the retarded or advanced component is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>. Below, we summarize the essential properties of our two-time BS equations, based on our resummation of one-particle self-energies as well as the mediator exchanges on an equal footing. <list list-type="roman-lower"><list-item><label>(i)</label><p><italic>Two-time structure.—</italic> The remarkable result of our resummation scheme is that we achieved a two-time dependence of the Bethe-Salpeter Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> without assuming a static property of mediator correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> or, more general, without assuming <italic>any</italic> particular form.</p></list-item><list-item><label>(ii)</label><p><italic>KMS condition.—</italic> In general, the two-time correlators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are related in equilibrium via the KMS condition: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Now, one of the great features of our resummation scheme is that it respects this KMS condition which is nontrivial since the equations are not exact. This means that the <italic>left- and right-hand</italic> sides of BS Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref> for the components <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> transform respectively into each other in equilibrium. This can be seen, by Fourier transforming the kernels, needed for proper analytic continuation of time, and by using the fact that in equilibrium all quantities only depend on the difference of the time variable. Indeed one finds that always the statistical part in the three kernels of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref> transform into their counterparts. The solution of our target component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> becomes a very simple expression when utilizing the power of the KMS condition as we will see in the next section.</p></list-item><list-item><label>(iii)</label><p>Similar to the two-point functions, two-time retarded and advanced components of the four-point correlator are related by complex conjugation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>†</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>, as can be shown directly from the definition Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.13">(4.13)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.14">(4.14)</xref>.</p></list-item><list-item><label>(iv)</label><p>Other components of four-point correlators not listed above can be constructed by the given ones <xref ref-type="bibr" rid="c74">[74]</xref>.</p></list-item><list-item><label>(v)</label><p>The full set of equations are able to describe Bose-Einstein condensation, e.g., relevant for fermionic systems where bound-state solutions exist and the density and chemical potential are in a critical regime. Since we focus on multi-TeV particles, the density will be always low enough to ignore those quantum-statistical effects.</p></list-item></list></p><fig id="f2"><object-id>2</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.115023.f2</object-id><label>FIG. 2.</label><caption><p>Resummation scheme shown for the retarded four-point correlator Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref>. The terms in the brackets belong to one-particle self-energy contributions as well as the mediator exchange between particle and antiparticle. Dots represent terms containing the DM distribution in the two-particle self-energy. Due to the Boltzmann suppression at the freeze-out, those contributions will be dropped later (see DM dilute limit in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5b">V B</xref>).</p></caption><graphic xlink:href="e115023_2.eps"/></fig></sec><sec id="s5"><label>V.</label><title>TWO-PARTICLE SPECTRUM AT FINITE TEMPERATURE</title><p>For general out-of-equilibrium situations, the coupled system of two-time BS Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> might require a fully numerical treatment. However, when relying on some well-motivated assumptions which are guaranteed for WIMP like freeze-outs, we show in this chapter that the coupled equations can by drastically simplified. The result will be a formal solution of our target component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, appearing in our main number density Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d3.25">(3.25)</xref>, in terms of the DM <italic>two-particle spectral function</italic>. Furthermore, we fully provide the details for finding the explicit solution of the DM two-particle spectral function from a Schrödinger-like equation with an effective in-medium potential, including thermal corrections. For a better understanding of the limitation of this final solution we share, step by step, the approximations needed. All assumptions leading to this simple result will be made systematically and discussed separately in this section.</p><sec id="s5a"><label>A.</label><title>Formal solution in grand canonical ensemble</title><p>We assume the DM system to be in a grand canonical state where the density matrix takes the form <disp-formula id="d5.1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.1a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>NR</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.1)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and we assume symmetric DM resulting in equal chemical potentials <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Further, we assume the Hamiltonian to commute with the number operators by treating the annihilation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a perturbation. This is valid as long as the processes driving the system to a grand canonical state are much more efficient compared to annihilation or the decay of bound states. In this sense, the chemical potential is effectively time dependent. It is related to the total number density, appearing on the l.h.s. in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d3.25">(3.25)</xref>. The time dependence of the number density is set by the Hubble term and the production and loss terms appearing on the r.h.s.</p><p>Let us insert the grand canonical density matrix into the components <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> and show how they are related. Utilizing the commutation relations of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>†</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>†</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>†</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>†</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, one can derive the KMS relations for the two-time four-point correlators in the presence of the chemical potentials. Recalling that the Hamiltonian is a generator of the time evolution, one finds the KMS condition for a grand canonical state: <disp-formula id="d5.2"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(5.2)</label></disp-formula>Its Fourier transform reads <disp-formula id="d5.3"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(5.3)</label></disp-formula>where we introduced the Wigner-transformed four-point correlators according to <disp-formula id="d5.4"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo>•</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.4a1">≡</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo>·</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo>•</mml:mo><mml:mo>•</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.4)</label></disp-formula>Here, we have used the fact that the operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> commutes with the Hamiltonian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and the translation operator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Defining the two-particle spectral function as <disp-formula id="d5.5"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold-italic">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(5.5)</label></disp-formula>our target component is formally solved in terms of the spectral function and chemical potential by utilizing the KMS relation for a grand canonical state: <disp-formula id="d5.6"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.6a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><label>(5.6)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.7"><mml:math display="block"><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.6a1">≃</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><label>(5.7)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.8"><mml:math display="block"><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.6a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.8a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.8)</label></disp-formula></p><p>In the second line we approximated the Bose-Einstein distribution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as Maxwell-Boltzmann, assuming the DM system to be dilute <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The same limit should also be taken in the explicit solution of the spectral function, as is done in the next section. In the last equality <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref>, we have used that the spectral function only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> (as we will explicitly see later) and adopted the loose notation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. As a consequence of Fourier transformation, the energy integration in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref> ranges from minus infinity to plus infinity.</p><p>If the theory has bound-state solutions in the spectrum, the two-particle spectral function has strong contributions at particular negative values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> (binding energy). These contributions are further enhanced by the Boltzmann factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> compared to the scattering solutions with positive energy, as can be directly seen from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref>. This is expected from the assumption of a grand canonical system. All DM states of energy E must be populated with the Boltzmann factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> for a given DM number density. As a result, the bound states are preferred compared to the scattering states because their energies are smaller.</p><p>Under the key assumption of the grand canonical ensemble, our main number density Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d3.25">(3.25)</xref> are formally closed. This is because the effective chemical potential appearing in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref> is related to the total number density by Legendre transformation. On the one hand, the validity of adopting a grand canonical state requires scattering processes to be efficient in order to keep DM in kinetic equilibrium with the plasma particles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For light mediators this is indeed guaranteed for times much later than the freeze-out. On the other hand, if the theory has bound-state solutions and is described by a grand canonical ensemble with a single chemical potential as we have introduced, there appears a hidden assumption on the internal chemical relation between scattering and bound-state contributions. As we will see later, it automatically implies the Saha condition for ionization equilibrium. Ionization equilibrium can only be achieved by efficient radiative processes like the ultrasoft emissions of mediators. In the description of our theory we have traced out from the beginning these contributions but can now formally include them by assuming ionization equilibrium. Thus, a grand canonical description of systems where bound states exist is only appropriate if the ionization equilibrium can be guaranteed. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref>, we come back to this issue in detail, provide an explicit expression for the chemical potential and prove the implication of ionization equilibrium.</p><p>We would like to finally remark that once a grand canonical picture is appropriate, all finite temperature corrections to the annihilation or decay rate are contained in the solution of the two-particle spectral function in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref> through Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.25">(3.25)</xref>. Indeed as we will see, the negative and positive energy solutions of the spectral function will merge continuously together if finite temperature effects are strong. In this case it turns out to be impossible to distinguish bound from scattering state solutions. Due to the form of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref> it is, however, not required to distinguish between these two contributions. Integrating the spectral function over the whole energy range automatically takes into account <italic>all</italic> contributions. In summary, for a grand canonical ensemble, the finite temperature corrections to Sommerfeld-enhanced annihilation and bound-state decay processes are contained in the two-particle spectral function and an explicit solution of the latter quantity is derived in following sections.</p></sec><sec id="s5b"><label>B.</label><title>Two-particle spectral function in DM dilute limit</title><p>A key observation is that we have factored out in <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref> the leading order contribution in the DM phase-space density and the remaining task is to find the two-particle spectral properties. For the computation of a two-particle spectral function we can now approximate the DM system to be <italic>dilute</italic> which is the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d5.9"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.9a1">⇒</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.9a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.9)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the single particle spectral function as introduced in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>. In the DM dilute limit, the two-particle spectral function is related to the imaginary part of the dilute solution of the retarded four-point correlator, where the result is given by: <disp-formula id="d5.10"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.10a1">≃</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.10a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.10a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.10)</label></disp-formula>Here, we defined <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> as the DM dilute limit of the Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, respectively. For the rest of this section, the computation of the dilute limit of these equations is given, proving the claim <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Applying the DM dilute limit Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.9">(5.9)</xref> to the two-time BS Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, one finds: <disp-formula id="d5.11"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.11)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.12"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.11a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.12a1">⁢</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.12a1">+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.12)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the dilute limit of the two-particle self-energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.23">(4.23)</xref>. All space-time dependences remain the same as in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> but we suppress them hereafter for simplicity. Similar limit can be taken for the advanced component. Important to note is that due to the DM dilute limit, it can be recognized that the retarded Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.11">(5.11)</xref> and hence the two-particle spectral function are <italic>independent</italic> of the DM number density. For the freeze-out process the DM dilute limit is an excellent approximation. Now to continue with the proof of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the equation for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> [see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref>] in the DM dilute limit is <disp-formula id="d5.13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.13a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.12a1">+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.12a1">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>dil</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.12a1">+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math><label>(5.13)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.14"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.14a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.14a1">+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>dil</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.14)</label></disp-formula>where in the step to the last equality we used two-time BS Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> backward. The statistical two-particle self-energy in the dilute limit is given by <disp-formula id="d5.15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>dil</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.15a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.15a1">×</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.15)</label></disp-formula>where we have used <disp-formula id="d5.16"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.16a1">≃</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.16)</label></disp-formula>The first similarity is a consequence of the dilute limit. In the last equality we used <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for equal time products. The integral term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.14">(5.14)</xref> vanishes by noting that in the dilute limit we have indeed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>adv</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>dil</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which finally proves the claim <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s5c"><label>C.</label><title>Retarded equation in static potential limit</title><p>In the previous section, we related the two-particle spectrum to the solution of the retarded equation in the DM dilute limit: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As a final step, we further simplify the two-time Bethe-Salpeter Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.11">(5.11)</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> by taking the proper static limit of the mediator correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>, resulting finally in a simple Schrödinger-like equation. We start by acting with the inverse two-particle propagator from the left on Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.11">(5.11)</xref>, arriving at <disp-formula id="d5.17"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="script">G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d5.17a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:munder><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.17)</label></disp-formula>Here, we suppress spin-indices for simplicity but quote the final result in full form later. Let us simplify the interaction kernel in Fourier space, where we take Wigner transform in time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d5.18"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.18a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>τ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.18)</label></disp-formula>Taking this Fourier transform of the kernel leads to two distinct parts: <disp-formula id="d5.19"><mml:math display="block"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo id="d5.19a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(5.19)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> results from the sum of the two one-particle self-energy contributions, whereas <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> originates from the exchange term between particle and antiparticle (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>): <disp-formula id="d5.20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.20)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.21"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.20a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.21)</label></disp-formula>We can perform the two <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> integrations over one-particle spectral function, where in the free limit they are given by <disp-formula id="d5.22"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d5.22a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.22a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.22)</label></disp-formula>Now the integrals are reduced to <disp-formula id="d5.23"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.23)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.24"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.23a1">=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.24)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> contain the respective on-shell energies. Noticing that the Fourier transform of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is given by <disp-formula id="d5.25"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(5.25)</label></disp-formula>we can now take the proper static limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> which results in <disp-formula id="d5.26"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mi>i</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">^</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo id="d5.26a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.26)</label></disp-formula>Introducing Wigner-momenta and Fourier transforming back with respect to the difference variables <disp-formula id="d5.27"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mo id="d5.27a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.27a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.27)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.28"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>·</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(5.28)</label></disp-formula>we finally end up with the Schrödinger-like equation for the retarded four-point correlator in the static limit of the potential: <disp-formula id="d5.29"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.29)</label></disp-formula>Now we see that the retarded and hence also the spectral function only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>The retarded two-time BS equation in static and dilute limit can be written as: <disp-formula id="d5.30"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo mathvariant="bold">∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(5.30)</label></disp-formula>where the effective in-medium potential is defined as <disp-formula id="d5.31"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.31)</label></disp-formula></p><p>The spectral function, we would actually like to compute, is obtained from the solution of this equation according to the relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as proven in the previous section. In the next section, we will derive the explicit solution of the retarded equation where we will further approximate the static mediator correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> in the hard thermal loop limit, as already given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.11">(3.11)</xref>. The first term in the effective potential in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.31">(5.31)</xref> originates from the sum of the two single-particle self-energies, while the second term accounts for the mediator exchange between particle and antiparticle. The trace in the Schrödinger-like Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.30">(5.30)</xref> takes the correct spin summation into account, which we have suppressed in this section for simplicity.</p></sec><sec id="s5d"><label>D.</label><title>Explicit solution in static HTL approximation</title><p>Taking the static HTL approximation of the massless mediator as derived in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.11">(3.11)</xref>, the effective potential according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.31">(5.31)</xref> results in <disp-formula id="d5.32"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.32)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.33"><mml:math display="block"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.32a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.33)</label></disp-formula>and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. One can recognize the real part of the potential is corrected by the Debye mass as expected. It shifts the energy by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (twice the Salpeter correction of single particle self-energies) and screens the Coulomb potential. At the same time, the effective potential contains an imaginary part. The physical meaning of this term is scatterings of DM with light particles in the thermal plasma. If particle and antiparticle are far away, the imaginary part must be solely determined by scattering with the thermal plasma without the Yukawa force. One can also see that this is actually the case, since the imaginary part becomes twice the thermal width of single particles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> (see single particle corrections in Appendix <xref ref-type="app" rid="app5-s2">E 2</xref>, as well as Salpeter correction in Appendix <xref ref-type="app" rid="app5-s3">E 3</xref>). This property follows from our resummation scheme, treating the DM self-energy on an equal footing with the ladder diagram exchange. Since the finite temperature corrections introduce a constant imaginary term for large distances, we can drop the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> term in the following derivation of the explicit solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.30">(5.30)</xref>. This solution will be general and contains also the correct vacuum limit, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> has to be carefully taken into account. The effective potential in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.32">(5.32)</xref> was first obtained in <xref ref-type="bibr" rid="c73">[73]</xref> and reproduced subsequently by other methods <xref ref-type="bibr" rid="c70 c75">[70,75]</xref>. Let us remark that we derived it independently, i.e., for the first time starting from a set of two-time Bethe-Salpeter equations on the Keldysh contour.</p><p>To derive the solution, we expand <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in terms of partial waves <disp-formula id="d5.34"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(5.34)</label></disp-formula>leading to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> (s-wave) equation: <disp-formula id="d5.35"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.35a1">=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.35)</label></disp-formula>The physically relevant boundary conditions we impose on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are listed below. <list list-type="roman-lower"><list-item><label>(i)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is finite <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∀</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(ii)</label><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> decays exponentially (as a consequence of constant imaginary potential).</p></list-item></list>Note here that, since we are working in the dilute limit, the Feynman propagator and the retarded function are the same. These requirements set the form of the solution uniquely (see also <xref ref-type="bibr" rid="c46 c76">[46,76]</xref>): <disp-formula id="d5.36"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.36a1">=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.36a1">+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.36)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the solutions of the homogeneous differential equation <disp-formula id="d5.37"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.37)</label></disp-formula>whose boundary conditions are given as follows: <list list-type="roman-lower"><list-item><label>(i)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>;</p></list-item><list-item><label>(ii)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> decays exponentially for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></list-item></list>One can explicitly check that the solution of the form <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.36">(5.36)</xref> with the boundary conditions for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> fulfils the requirements on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> as listed above.</p><p>The two-particle spectral function, needed to compute the annihilation or decay rate according to Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.10">(5.10)</xref>, can be written in terms of the homogeneous solution as <disp-formula id="d5.38"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.38a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">[</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.38a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">[</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.38a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.38)</label></disp-formula>In the last term, prime stands for the derivative with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Formally this solution is correct but might be troublesome in the numerical evaluation, since the real part of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> has a singularity due to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> behavior of the effective potential. To resolve this issue, we rewrite the imaginary part of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> by means of a different solution. We closely follow the discussion given in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c76">[76]</xref>. Let us define another singular solution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> whose boundary conditions are given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The outgoing solution for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be expressed by a linear combination of <disp-formula id="d5.39"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.39)</label></disp-formula>By definition, we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The fact that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> is outgoing forces it to decay for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which determines <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>. And thus, one finds <disp-formula id="d5.40"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.40)</label></disp-formula>The physical quantity <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> we would like to compute does not depend on the choice of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. This is why we can get the correct result without handling the divergence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The final step is to rewrite the singular solution as <disp-formula id="d5.41"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.41)</label></disp-formula>One may also write down the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> by using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.41">(5.41)</xref>: <disp-formula id="d5.42"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi>∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(5.42)</label></disp-formula>One can check that it fulfills the boundary conditions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mi>lim</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Plugging Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.41">(5.41)</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.40">(5.40)</xref> and recalling the relation Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.38">(5.38)</xref>, we finally arrive at the convenient form to evaluate the imaginary part (see also <xref ref-type="bibr" rid="c64">[64]</xref>): <disp-formula id="d5.43"><mml:math display="block"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.43a1">=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.43a1">=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:munder><mml:mi>lim</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>∞</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(5.43)</label></disp-formula>The great advantage of this general solution is that it applies for the whole two-particle energy spectrum of our theory, i.e., for negative and positive <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Here, we have introduced the tolerance <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> as initial value for numerical studies. Let us finally introduce dimensionless variables, expressing distances in terms of the Bohr radius <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and summarize the equations in terms of these units. The s-wave part of two-particle spectral function reads: <disp-formula id="d5.44"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5.44a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.44)</label></disp-formula>The homogeneous equations for a massless and massive mediator are given by: <disp-formula id="d5.45"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.45)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.46"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.46)</label></disp-formula></p><p>In practice, we use the following initial conditions which can be obtained by power series approach: <disp-formula id="d5.47"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5.47)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.48"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.47a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.48)</label></disp-formula><disp-formula id="d5.49"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5.47a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(5.49)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> applies for the Coulomb case Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.45">(5.45)</xref> while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>Y</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be taken for the Yukawa case Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.46">(5.46)</xref>. To efficiently deal with the sometimes highly oscillatory integrand in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref>, local adaptive integrating methods are useful. In finding the initial power in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the imaginary part we have assumed that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> for small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c64">[64]</xref> which is only approximately true. In general, one has to carefully check if the correct value of the potential is close enough to this approximation at the initial value which we have done for the numerical results presented in subsequent sections.</p></sec></sec><sec id="s6"><label>VI.</label><title>DM NUMBER DENSITY EQUATION IN GRAND CANONICAL ENSEMBLE</title><p>In the previous section, we have obtained a formal solution of the out-of-equilibrium term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, entering our main number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref>. This was achieved by assuming the DM system is in a grand canonical state, formally solving <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in terms of the chemical potential and two-particle spectral function by KMS relation. Inserting this formal solution given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref> into the main number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref> results in our master formula for the DM number density equation in a grand canonical ensemble: <disp-formula id="d6.1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(6.1)</label></disp-formula>where a symmetric plasma <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is assumed and (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the s-wave tree-level annihilation cross section. The latter quantity is averaged over initial internal d.o.f. (spin) and summed over final.</p><p>The chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a function of the total number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as it appears on the left-hand side of our master formula. The term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the chemical equilibrium limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref>, given by <disp-formula id="d6.2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.2a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.2a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(6.2)</label></disp-formula>We presented a general method in the previous section of how to compute the in-medium two-particle spectral function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> explicitly. It contains finite temperature corrections to the Sommerfeld enhancement and bound-state decay. The only parameter left in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> is the chemical potential, which has not yet been explicitly solved. The chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be obtained in two steps as demonstrated in the following. First, the total number density as a function of the chemical potential is computed. For a grand canonical ensemble this follows from basic relations of quantum statistical mechanics and is given by <disp-formula id="d6.3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.3)</label></disp-formula>where the total pressure is <disp-formula id="d6.4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gr</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.4)</label></disp-formula>Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the volume and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>gr</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the grand canonical partition function. Second, by inversion of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.3">(6.3)</xref> one obtains the chemical potential as a function of the total number density. The functional dependence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> on the total number density can be nontrivial especially for the case if bound-state solutions exist as we will see later. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> on the l.h.s. of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.3">(6.3)</xref> is equivalent to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> appearing on the l.h.s. of our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref>.</p><p>In subsequent sections of this chapter we demonstrate how powerful our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> is. We self-consistently compute the component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This means in both terms the same approximations should be made to obtain a well-behaved number density equation.</p><p>For a better understanding, we would like to start in the next Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6a">VI A</xref> with the simplest case of our theory by taking the zero self-interaction and zero finite temperature correction limit. This means we take <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in the effective in-medium potential Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.32">(5.32)</xref> and compute the spectral function. The same limits are applied to the Hamiltonian entering in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.4">(6.4)</xref> to compute the total pressure. Under these limits, our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> reduces to the conventional Lee-Weinberg equation, describing constant s-wave annihilation of DM.</p><p>As a next step, we allow for long-range self-interactions but neglect finite temperature corrections. This corresponds to the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, leading to the fact that the remaining term in the effective in-medium potential is the standard Coulomb or unscreened Yukawa potential. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6b">VI B</xref>, the two-particle spectrum for this simple case of our theory is shown. We stress the point that only in this limit there is a direct relation between spectral function and standard expressions for the Sommerfeld-enhancement factor or the decay width of the bound states. Section <xref ref-type="sec" rid="s6c">VI C</xref> completes the results by computing the chemical potential for the same limit. Combining the analytic expressions for the spectral function and chemical potential, we prove our master formula Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> to be consistent with the classical on-shell Boltzmann equation treatment for vanishing thermal corrections. We also point out that adopting a grand canonical ensemble with one single time-dependent chemical potential as in our master formula implies ionization equilibrium between the scattering and bound states. A detailed discussion is given on the validity of ionization equilibrium during the freeze-out process. If no bound-state solutions exist, the only limitation of our master formula is essentially kinetic equilibrium <xref ref-type="bibr" rid="c77 c78">[77,78]</xref>.</p><p>We relax the assumption of zero finite temperature corrections in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref>. This brings us to another central result of this work: a DM number density equation, generalizing the conventional Lee-Weinberg equation and classical on-shell Boltzmann equation treatment as a consequence of accounting simultaneously for DM annihilation and bound-state decay at finite temperature. However, it should be noted that this equation in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref> strictly speaking only applies to the narrow thermal width case and is therefore less general compared to our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref>. This means we have neglected in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref> imaginary-part corrections to the effective in-medium potential for the computation of the chemical potential. While we can fully account for these non-Hermite corrections in the computation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, it remains an open question of this work of how to consistently compute the chemical potential for the broad thermal width case. The broad thermal width case for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> we compute numerically later in this work (see Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>). Nevertheless, we demonstrate that the chemical potential and the two-particle spectral function entering the number density equation in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref> can be evaluated self-consistently in the narrow thermal width limit. This approach, taking leading finite temperature real-part corrections into account, is already more general of what has been computed so far in the literature. In principle, it is possible to take a nonconsistent approach and compute <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> including imaginary parts in the potential while only including real-part corrections to the chemical potential. However, some care must be taken when doing so. This is because the chemical potential corrects the functional form of the number density dependence in our master equation. We discuss in more detail the possibility of taking a non-self-consistent approach by the end of Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref>.</p><p>Finally in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6e">VI E</xref>, we compare our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> to the previous literature, relying on the method of linear response theory. Consistency is proven in the linear regime close to chemical equilibrium.</p><sec id="s6a"><label>A.</label><title>Recovering the Lee-Weinberg equation</title><p>We take the limit of zero self-interactions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> while keeping the annihilation term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a perturbation. It should be emphasized again that we have to approximate the spectral function and the chemical potential both in the same limit in order to obtain a self-consistent solution. The free spectral function without self-interactions and the ideal pressure are given by <disp-formula id="d6.5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.5)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.6"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.5a1">=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(6.6)</label></disp-formula>Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the free Hamiltonian and for a derivation of this result for the two-particle spectral function directly starting from the general expression Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref> can be found in Appendix <xref ref-type="app" rid="app4">D</xref>. The number density can be obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.3">(6.3)</xref> by using the ideal pressure: <disp-formula id="d6.7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.7a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.7a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.7)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.7a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.8)</label></disp-formula>In the second equality of the first line, we find the relation between ideal number density and the noninteracting correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The latter quantity has to be evaluated in a grand canonical ensemble, which we have done in the third equality by using KMS condition and the DM dilute limit (see Appendix <xref ref-type="app" rid="app5-s1">E 1</xref>). The DM dilute limit should be taken in the computation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> to be consistent with the computation of the spectral function. For the latter quantity we have seen in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5b">V B</xref> only in the DM dilute limit it is independent of the DM number density and our general solution Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref> relies on this assumption. In the last equality of the first line we defined the conventional chemical equilibrium number density of ideal particles. Finally, we obtain from the last equality the noninteracting (ideal) chemical potential by inversion: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Note that this inversion can only be done analytically if one approximates the Fermi-Dirac distribution as Maxwell-Boltzmann (which is our DM dilute limit). Entering these results of the spectral function and the chemical potential into our master formula for the DM number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref>, leads to the conventional Lee-Weinberg equation for DM particles with zero self-interactions: <disp-formula id="d6.9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.9)</label></disp-formula>Here, we have recovered the standard thermal averaged cross section by using the simple substitution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> for the positive energy spectrum: <disp-formula id="d6.10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.10)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.11"><mml:math display="block"><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.10a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(6.11)</label></disp-formula>The last equality holds for constant s-wave annihilation cross section (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) as it is the case for our model.</p></sec><sec id="s6b"><label>B.</label><title>Spectral function, Sommerfeld enhancement factor, and decay width for vanishing thermal corrections</title><p>We turn now to the interacting case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and compute the two-particle spectral function. The s-wave two-particle spectral function is numerically solved according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref> in the limit of vanishing finite temperature corrections and the results are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>. Poles in the negative energy spectrum represent the bound states, while the spectrum is continuous for the scattering states at positive energy. In the vacuum limit one clearly sees that the scattering states can be separated from the bound-state contribution at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Due to this separation, the solution of the spectral function is directly related to the Sommerfeld enhancement factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and bound-state decay width <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. These relations are given below and now it becomes clear that the two-particle spectral function as shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> is, for the vacuum case, just a convenient way of presenting all contributions simultaneously.</p><fig id="f3"><object-id>3</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.115023.f3</object-id><label>FIG. 3.</label><caption><p>S-wave two-particle spectral function vs the energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> in units of typical freeze-out temperature shown for a standard Coulomb (left) and Yukawa (right) potential. The two-particle spectral function enters directly our master formula and is weighted by the Boltzmann factor for all the energy range.</p></caption><graphic xlink:href="e115023_3.eps"/></fig><p>The relations between two-particle spectral function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, Sommerfeld enhancement factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and decay width <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the limit of vanishing finite temperature corrections are given by: <disp-formula id="d6.12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.12a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.12)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.12a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.13)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> for the scattering states, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the (negative) binding energy for the bound states, and (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) is the tree-level s-wave annihilation cross section. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is decay width of the bound state (not to be confused with our annihilation term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at the beginning of this work).</p><p>These relations can be proven directly from our general solution Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref>, see Appendix <xref ref-type="app" rid="app4">D</xref> for a derivation. On a first look, the spectral function in the vacuum case seems just a nice way of presentation. Instead one should emphasize that the notion of spectral function is more general and unifies the picture of scattering state annihilation and bound-state decay. This observation becomes important for the finite temperature case discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>, where it is impossible to separate or distinguish between annihilation and decay. The spectrum includes both. Only in the absolute vacuum case a clear distinction between annihilation and decay can be made.</p><p>Coming back to Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> and now keeping in mind the relations Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.12">(6.12)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d6.13">(6.13)</xref>. There is an infinite number of exited <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>-bound states for the Coulomb case (left plot) with binding energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of the exited states and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> is the ground state with lowest binding energy, shown as the pole most to the left. At small positive energies, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the spectral function is constant, resulting in the familiar scaling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.12">(6.12)</xref>.</p><p>In the Yukawa potential case, shown in the right plot of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>, there is a finite number of bound-state solutions. For certain ratios of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> there exist a bound-state solution with zero binding energy (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>). For those special cases the Sommerfeld enhancement factor scales as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, called on-resonance regime, leading to an interesting observational impact on cosmology at very late times <xref ref-type="bibr" rid="c79 c80">[79,80]</xref>. Roughly, those poles where the spectral function would diverge are at the on-resonance condition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> is integer.<fn id="fn8"><label><sup>8</sup></label><p>This is exactly true for the Hulthén potential case which is analytically solvable, while for the Yukawa case this resonance condition slightly deviates.</p></fn> The on-resonance divergences give rise to partial wave unitarity violation of the total cross section, as can be seen in the right plot of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. It has been pointed out in <xref ref-type="bibr" rid="c54">[54]</xref> that once the imaginary contribution of the annihilation part (proportional to our <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) is included self-consistently in the solution of the Schrödinger-like Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.30">(5.30)</xref>, then the Sommerfeld enhancement starts to saturate below the unitarity limit.<fn id="fn9"><label><sup>9</sup></label><p>Since we have treated the annihilation term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a perturbation, where the leading order contribution was found to contribute to the change in the number density, the contribution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> does not occur in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.30">(5.30)</xref>. We will see later that at finite temperature the imaginary parts in the potential will dominate over the imaginary contribution from the annihilation term and thus at sufficiently finite temperature we will always get a saturation below the unitarity bound.</p></fn> This means that for some small velocity there is a transition from the divergent scaling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mtext>const</mml:mtext></mml:math></inline-formula> which results in zero spectrum at zero energy. The saturation is always present if the on-resonance condition is not exactly fulfilled. The other extreme case is if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is taken exactly in between neighboring on-resonance values, called off-resonance. Then, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> never scales stronger than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and at some small velocity of the order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> the Sommerfeld enhancement factor starts to saturate and the spectral function approaches zero.</p></sec><sec id="s6c"><label>C.</label><title>DM number density equation for vanishing thermal corrections</title><p>In the previous section we have proven in the limit of vanishing finite temperature corrections a relation between spectral function, standard expression of Sommerfeld enhancement factor and the bound-state decay width. Inserting these relations Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.12">(6.12)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d6.13">(6.13)</xref> into our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> leads to the following differential equation for the total number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d6.14"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.14a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.14a1">-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.14)</label></disp-formula>In the limit of zero chemical potential, defining chemical equilibrium, the r.h.s. vanishes as expected. Here, we recovered the thermal averaged Sommerfeld enhancement factor: <disp-formula id="d6.15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(6.15)</label></disp-formula>The chemical equilibrium number density for the scattering states <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> was coming out as already defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.8">(6.8)</xref>. This outcome is fully consistent with the result one would get from integrating the Maxwell-Boltzmann equilibrium phase-space density (multiplied by spin factor 2) of nonrelativistic particles. The chemical equilibrium number density of the bound-states was defined as <disp-formula id="d6.16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.16)</label></disp-formula>where the mass of bound-state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> and the subscript 0 stands for ideal bound states, respectively. The term in front of the exponential in the bound-state number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.16">(6.16)</xref> needs some further explanation. Since we have only considered s-wave contributions to the spectral function, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the equilibrium number density of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>th exited para-WIMPonium. The decay, as well as the annihilation, of ortho-WIMPonium into three <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> would be a p-wave process. To form para-WIMPonium there is only one spin option while for ortho-WIMPonium there are 3, consistent with the picture of having in total 4 spin d.o.f. Therefore, the spin factor 1 in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.16">(6.16)</xref> comes out correctly. When carefully looking at the term in front of the exponential in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.16">(6.16)</xref>, it can be seen that the normalization of the distribution came out as like integrating the phase space density: <disp-formula id="d6.17"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.17)</label></disp-formula>The kinetic term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the bound state misses the correction coming from the binding energy, because the conventional normalization would give <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The reason why this correction of the order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> does not come out as in the conventional case can be explained by how we have approximated the Martin-Schwinger hierarchy. In our paper, we expand the equation for the four-point correlator around the product of two free propagators. This is why the spectral function only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> as we have shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.29">(5.29)</xref>. If we would iterate the solution, e.g., correcting the free correlators and inserting them again into the solution of the four-point correlator, we could obtain the conventional result. However, note that the correction is small for perturbative systems, since typically <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>We are turning to the discussion of the chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.14">(6.14)</xref>. The chemical potential can be obtained by inverting the number density as a function of the chemical potential. For an <italic>ideal gas</italic> description it is known that the total number density of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula>-particles <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, as it appears on the l.h.s. of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.14">(6.14)</xref>, is in general just given by the sum of scattering and bound-state contributions: <disp-formula id="d6.18"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math><label>(6.18)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.19"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.18a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.19)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.18a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.20)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.21"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.18a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.21)</label></disp-formula>Since we have imposed a grand canonical state with only one single chemical potential, the chemical potentials for the scattering and bound states are related and therefore the number densities are not independent quantities. Assuming a grand canonical ensemble with only one time dependent chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> implies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which leads to the relation <disp-formula id="d6.22"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.22)</label></disp-formula>This is nothing but the <italic>Saha ionization equilibrium condition</italic>. To see it explicitly, let us insert Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.22">(6.22)</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.18">(6.18)</xref>, leading to a quadratic equation for the number density of free scattering states: <disp-formula id="d6.23"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.23)</label></disp-formula><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>id</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.22">(6.22)</xref> independent of the chemical potential. This quadratic Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.23">(6.23)</xref> can be solved, leading to the degree of ionization <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>id</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> for ideal gases: <disp-formula id="d6.24"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(6.24)</label></disp-formula>The chemical potential can now be obtained from this equation by using <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resulting in <disp-formula id="d6.25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.25)</label></disp-formula>Inserting this chemical potential into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.14">(6.14)</xref> we finally end up with the Boltzmann equation for vanishing finite temperature corrections, ideal gas approximation, and the system in a grand canonical state: <disp-formula id="d6.26"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.26a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.26a1">-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.26)</label></disp-formula></p><p>The equation is closed in terms of the total number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Before we discuss this result in detail, let us consider the case where we would have treated all bound and scattering states to be independent. This could have been realized in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.14">(6.14)</xref> by assigning different chemical potentials to scattering and bound states. Then we would have ended up with decoupled equations: <disp-formula id="d6.27"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.27a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.27a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.27)</label></disp-formula>These are the standard equations if bound and scattering states are decoupled. They might be helpful to understand Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> better. Namely, when adding the well-known Boltzmann Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.27">(6.27)</xref> and <italic>imposing</italic> ionization equilibrium, one would end up with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref>. We summarize and discuss the main findings of this section below.</p><p>(i) The differential Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> describes the out-of-chemical equilibrium evolution of the total number density, including the reactions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⇌</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Sommerfeld-enhanced annihilation and production) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⇌</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (bound-state decay and production) under the constraint of ionization equilibrium for all times. The total number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> counts both: free particles as well as particles in the bound state. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> is equivalent to the coupled set of Boltzmann equations including soft emissions and absorptions <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref> in the limit of ionization equilibrium. The equations are independent of the bound-state formation or ionization cross section since the rates are, by assumption, balanced. One can also see it from a different perspective. Via Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> it is very elegant to include bound-state formation or dissociation processes without calculating the cross sections or solving a coupled system of differential equations. Note that when comparing our single equation to the coupled set of Boltzmann equations in Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>, the last term in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> accounting for the direct production of bound states from two photon annihilation (inverse decay) was dropped. It might have little impact since bound-state formation from radiative processes can be much more efficient around the freeze-out.</p><p>(ii) Let us discuss some asymptotic regimes of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref>, assuming the system has bound-state contributions. For this case, the ionization degree <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>id</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> has a nontrivial dependence on the total number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, as can be seen from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.24">(6.24)</xref>. This leads to the fact that the collision term of the number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> has in general neither a linear nor a quadratic dependence on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, as it is for the decoupled conventional Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.27">(6.27)</xref>. However, we recover correctly the quadratic and linear form in some regimes discussed now. Close to the freeze-out, the temperature is much larger than the binding energy of bound states. As a consequence, the bound-state contribution in the ionization degree is subdominant and can be neglected. This can be seen directly from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.23">(6.23)</xref>. In the high temperature regime <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, leading to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>id</mml:mi></mml:msup><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> (fully ionized DM plasma), the dominant part of the r.h.s. of the number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> is <italic>quadratic</italic> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. At late times, roughly when temperature becomes of the order the binding energy, the contribution of the bound states becomes strongly enhanced due to Boltzmann factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>id</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. For this low temperature regime <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, leading to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which is much smaller than unity. This behavior is expected since bound states with energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> are thermodynamically more favored compared to the scattering states with energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Therefore, the equilibrium limit for low temperature is that most of the particles are contained in the lowest bound state (assuming for a moment that such state is stable). Inserting the low temperature behavior of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>id</mml:mi></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mi>id</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> results in the fact that at late times the r.h.s. the of number density equation is <italic>linear</italic> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the proportionality factor is effectively the bound-state decay rate. Since typically the decay rates are much larger compared to the Hubble rate and the number density equation is linear in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the total number density gets depleted exponentially fast in time. This means at late times, if ionization equilibrium is assumed, also the free DM particle number decreases simply because it must follow the exponential fast decay of the bound states in order to maintain the imposed ionization equilibrium. In summary, if bound-state solutions are present and one would integrate numerically Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> until today, effectively no DM would remain as a consequence of the imposed ionization equilibrium. However, we know from the full coupled set of classical Boltzmann equations <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref> that ionization equilibrium is <italic>not</italic> maintained for all times during the DM depletion phase caused by bound-state decays. This is because, once the decay rate exceeds the ionization rate, the system leaves the ionization equilibrium. The temperature dependence of the bound-state formation (BSF) and ionization determines by how much the stable components are depleted during this critical epoch. Once the BSF rate drops below the cosmic expansion rate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> the depletion stops.</p><p>(iv) If we instead would have treated bound and scattering states separately, with independent chemical potentials, we would have obtained Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.27">(6.27)</xref>. In this equation one can see that the bound states are independent of the scattering states. Since the differential equation of the former is linear in the number density on the r.h.s., at some point all bound states start to decay away. The coupling between bound and scattering states via radiative processes are not included in our theory and therefore do not appear. As we have learned, in our theory treating bound states as composite particles there is only one chemical potential. Therefore, by naively just giving bound and scattering states different chemical potentials would lead to the fact that we describe the system not with a grand canonical ensemble. Moreover, the KMS condition does not hold for this case. In order to be able to introduce different chemical potentials might require to rewrite our theory in terms of effective operators, creating only scattering or only bound states respectively. Then, there might be for every operator a conserved charge and one can associate individually different chemical potentials. We will see later that this more “phenomenological” procedure is definitely not applicable for finite temperature case. There it becomes impossible to introduce such operators since the eigenvalues might be not well defined when non-Hermitian thermal corrections are included.</p><p>(v) For going beyond the ionization equilibrium it is required to include ultrasoft terms from the beginning and re-derive the DM correlator EoM including those corrections. This we leave for future work and we restrict our equations to be valid as long as ionization equilibrium can be maintained. If no bound-state solution exists, our equations presented here only assume kinetic equilibrium <xref ref-type="bibr" rid="c77 c78">[77,78]</xref>. If bound states exist, the validity of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> can be estimated. Once the decay rate exceeds the ionization rate at late times, the regime of out-of-ionization equilibrium starts (see also <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>). Until then, our description is valid. In the next section, we will generalize this equation for the finite temperature case. We will assume that the thermal width in the effective potential is small. Already in this case, the number of bound states is dynamical since the screening as well as the constant real part term in the effective potential are temperature dependent. They lead for decreasing temperature to an abrupt occurrence of bound-state poles in the spectral function (see also Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>). Therefore, at finite temperature the description via Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref> is insufficient. The more general description can be obtained from our formalism by going back to our master equation, expressing the annihilation or decays in terms of the two-particle spectral function. The spectral function automatically decides for a given temperature which part of the spectrum contributes to the continuum and which part is bounded, as we will see later. Moreover, as we discuss in the next section, it is required at finite temperature to include nonideal contributions to the idealized Saha equation, leading to finite temperature corrections of the chemical potential. Thus, for a consistent treatment we need to compute both: long-range modified annihilation and the chemical potential to the same order of approximation.</p></sec><sec id="s6d"><label>D.</label><title>Chemical potential in narrow thermal width approximation</title><p>In the previous section, we established what is the outcome of our master equation in the limit of vanishing thermal corrections. In this section, we compute the chemical potential for finite <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The only assumption we make is that the thermal width in the mediator correlator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> is subleading. Only the real-part correction in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.32">(5.32)</xref> is kept. This is called the narrow width (or quasiparticle) approximation. It leads to the fact that the correlator takes the simple form <disp-formula id="d6.29"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.29)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>V</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the screened Yukawa potential. To now evaluate the pressure explicitly, we make use of the structure of the Hamiltonian for this potential: <disp-formula id="d6.30"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.30a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.30a1">+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.30a1">+</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(6.30)</label></disp-formula>Substituting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and taking the partial derivative of the partition function with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> we arrive at the convenient form <disp-formula id="d6.31"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gr</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>gr</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.31)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.32"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.31a1">=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.32a1">⁢</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.32a1">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.32)</label></disp-formula>Spin indices are summed over equal arguments and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> carry the same arguments as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Applying the KMS condition, and expressing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> in terms of spectral function we arrive, after introducing Wigner coordinates and Fourier transformation, at <disp-formula id="d6.33"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.33a1">=</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.33a1">⁢</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">[</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.33a1">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.33)</label></disp-formula>This equation tells us that the total pressure is equal to the ideal pressure, defined as <disp-formula id="d6.34"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(6.34)</label></disp-formula>plus nonideal contributions arising from DM long-range self-interactions. It is possible to eliminate the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi></mml:math></inline-formula> integration in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref> by partial integration and using the BS equation backwards. The final result can be expressed in terms of bound-state contributions and the change of the scattering phase with respect to the energy for the scattering states. The equation is then known as Beth-Uhlenbeck formula. For the following discussion, it is however not required to explicitly give those expressions and therefore we just refer to the result in standard text books for nonideal plasmas; see <xref ref-type="bibr" rid="c81">[81]</xref>.<fn id="fn10"><label><sup>10</sup></label><p>In nonideal plasma literature, the nonideal contribution in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref> is referred to as the second-viral coefficient. It might be also interesting to note that the number of bound states are related to scattering phases according to the Levinson theorem.</p></fn> Let us remark that one can also directly solve Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref> numerically via the solution of the two-particle spectral function. This is the power of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref>. One can solve self-consistently for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the chemical potential (see below) entering our master equation just by evaluating the two-particle spectral function <italic>without</italic> specifying what is a bound or a scattering state. The two-particle spectral function automatically takes into account everything. This is because Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref> is <italic>exact</italic> in the narrow thermal width limit. We have just reduced the problem of evaluating the total pressure to the evaluation of a four-point correlation function.</p><p>For the moment, only the structure of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref> is important. Namely, when differentiating the total pressure equation with respect to the chemical potential we obtain, according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.3">(6.3)</xref>, for the total DM number densities <disp-formula id="d6.35"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(6.35)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.36"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.35a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(6.36)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.37"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.35a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(6.37)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.38"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.35a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(6.38)</label></disp-formula><disp-formula id="d6.39"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.35a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(6.39)</label></disp-formula>The subscript 0 labels ideal number densities, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a number density for a free DM without gauge interactions as in the previous section. Superscript “eq” stands for chemical equilibrium and a symmetric plasma is assumed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We stress that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> should not be confused with number densities of one quasiparticle excitation of DM in thermal plasma. This equation just tells us that the exact total DM number density, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, including corrections from thermal plasma and bound states, can be simply expressed as Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.35">(6.35)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.36">(6.36)</xref> by means of the ideal number densities given in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.37">(6.37)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d6.39">(6.39)</xref>. All the effects from interactions are encoded in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. An explicit expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can be obtained by comparing Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.35">(6.35)</xref> to <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref>. Again, it is only important to know that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> includes bound-state contributions as well as scattering parts which can be seen from the integration of spectral function in the whole energy range. One can see that in the limit of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> the number densities of free DM are recovered. If we would send finite temperature corrections to zero and only include the bound-state contribution, then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> just reproduces the ideal gas case from the previous section; see Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.23">(6.23)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.22">(6.22)</xref>. In this sense, <italic>standard Boltzmann equations (see also previous section) typically used in numerical codes solve for the DM number density non-self-consistently</italic>. This is because they miss the (small) nonideal corrections coming from the scattering contributions in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and evaluate the chemical potential in the ideal gas approximation.</p><p>For a symmetric plasma <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.35">(6.35)</xref> is a quadratic equation in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the solution is given by <disp-formula id="d6.40"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.40)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> gives the ratio between the ideal number density of free particles (no bound states and no interactions) and the total number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, including bound states, nonideal and thermal corrections. This is the main difference compared to the ideal definition in the previous section. The generalized Saha Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.40">(6.40)</xref> accounts for nonideal contributions like self-interactions as well as for finite temperature corrections. Important to note is that we do not have to define what is a bound or a scattering contribution to the total number density. The spectral function in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.33">(6.33)</xref> does the job automatically and takes all contributions into account when integrating over the whole energy range.</p><p>Since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, we can finally determine the chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a function of total number density from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.40">(6.40)</xref>.</p><p><italic>Assuming a grand canonical state for a system having bound-state solutions in the spectrum automatically implies the Saha ionization equilibrium.</italic> Under this assumption, the chemical potential is set by <disp-formula id="d6.41"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.41)</label></disp-formula>and our master formula for the total number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> can be written in a fully closed form as <disp-formula id="d6.42"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.42a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.42a1">⁢</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(6.42)</label></disp-formula>where <disp-formula id="d6.43"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.43a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.43a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(6.43)</label></disp-formula>Importantly, the obtained number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref> is in general <italic>not quadratic in</italic> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> contrary to the conventional Lee-Weinberg equation because the generalized ionization fraction, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, exhibits a nontrivial dependence on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. As we have discussed in the previous section, this equation contains all the number violating processes of DM, i.e., annihilations and bound-state decay. The process which dominates the decrease of DM number density is determined by how <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> evolves in time as we have discussed at the end of the previous section.</p><p>The insights we gained in this section are important for the understanding of our work. Let us put below these results more into context.</p><p>(i) Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref> describes the out-of-chemical equilibrium (finite <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi></mml:math></inline-formula>) evolution of the total number density under the constraint of ionization equilibrium and is one of our main results. It is a generalization of the idealized vacuum Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.26">(6.26)</xref>, accounting for (i) finite temperature corrections to the annihilation/decay rates and (ii) nonideal corrections to the chemical potential. The nonideal corrections to the chemical potential consist of finite temperature corrections as well as scattering contributions. The main advantage of the Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref> is that we do not have to define what is a bound or scattering state contribution since at finite temperature this is meaningless to do. All expressions needed in order to solve our generalized number density equation numerically can be obtained by evaluating the two-particle spectral function. Since one has to integrate over the whole energy spectrum, the result manifestly takes all contributions into account, without the need of differentiating between bound and scattering states. Later in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>, we show the results for the two-particle spectral function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref> including finite temperature corrections.</p><p>(ii) Let us discuss a bit more in detail the generalized Saha Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.40">(6.40)</xref>. For vanishing finite temperature corrections and the ideal gas limit, we have emphasized that it reduces to the standard expression Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.24">(6.24)</xref>. Since <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.40">(6.40)</xref> looks the same as the one in the ideal gas limit aside from how <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, one may understand how <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> evolves from the discussion at the end of the previous section. However, at finite temperature it is more complicated to precisely estimate since the number of bound states is dynamical. Furthermore, it is also more complicated to discuss the case when ionization equilibrium is broken at finite temperature due to this reason.</p><p>Finite temperature effects might extend the period where the ionization rate is much larger compared to the decay rate, since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles can efficiently destroy the bound state. Thus it might be true that the validity of our equations holds longer compared to the vacuum case. Another difficulty at finite temperature is, only in the limit of narrow thermal width it might be possible to estimate the validity of <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref>. This is because in order to estimate the rates one has to define what is the decay width of the bound state, which becomes hard to define beyond the narrow thermal width limit. At late times of DM freeze-out, however, we naively expect that the thermal width becomes less important and one may estimate the rates by just including the real-part corrections (but still in this case the number of highly excited bound states can be dynamical).</p><p>(iii) According to previous discussions, we would like to emphasize again that our number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref> is not applicable to the regime where bound-state decay rates exceed the ionization rates at late times causing an out-of-ionization equilibrium state (now disregarding the issue of how we can precisely estimate those rates at finite temperature). However, our more general equations Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> do not assume ionization equilibrium and can be applied to any out-of-equilibrium state. The point is, since we have dropped for simplicity soft emissions from the beginning, there are no processes like BSF via the emission of a mediator relating the number of bound and free particles. Consequently, if one would solve the general Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> numerically, with an initial out-of-ionization equilibrium state, the system would remain for all times in out-of-ionization equilibrium. It is required for future work to include soft emissions via e.g., an electric dipole operator in thermal plasma, to account for a correct description of the DM thermal history at late times. We will see, however, if ionization equilibrium can be guaranteed, our description accounts for sizable finite temperature corrections during the early phase of the freeze-out which can not be captured by the classical on-shell Boltzmann equation treatment as in <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>. Thus these different approaches are in some sense complementary. Furthermore, the approach in <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref> uses only the main contribution of the ground state 1S, while via Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref> it is very elegant and efficient to include <italic>all</italic> (here only s-wave) bound-state contributions (but under the assumption of ionization equilibrium).</p><p>(iv) From this section we learned that the standard Boltzmann equations at zero temperature are a non-self-consistent set of equations. They miss scattering contributions in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> which can now be fully accounted for. Bearing in mind that these contributions might be small, it might also be acceptable to adopt a non-self-consistent solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref>. By this we mean one can in principle compute the chemical potential in the narrow width approximation; however, in the computation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the two-particle spectral function can be solved in its most general form including finite temperature width (as we present in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>). We emphasize again that a non-self-consistent solution might cause some troubles and care should be taken. In Appendix <xref ref-type="app" rid="app5-s3">E 3</xref>, we discuss other non-self-consistent computations of the chemical potential and point out their failure, especially for late times if bound-state solutions exist.</p></sec><sec id="s6e"><label>E.</label><title>Comparison to linear-response-theory method</title><p>Our dark matter system is similar to heavy-quark pair annihilation in a thermal quark gluon plasma produced in heavy ion collisions. In literature, the annihilation rate of the heavy-quark pair into dileptons is estimated from linear response theory. Let us just quote their results in the following without deeply diving into the details. For comparison we translate the expressions for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> to our U(1) by adjusting color and flavor factors and call the heavy (anti)quark dark matter (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The linearized Boltzmann equation around chemical equilibrium is given by <disp-formula id="d6.44"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.44)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is called the chemical equilibration rate. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> can be extracted from linear response theory, assuming thermal equilibrium and a perturbation linear around chemical equilibrium. It is defined as <xref ref-type="bibr" rid="c64 c65 c66 c67">[64–67]</xref> <disp-formula id="d6.45"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.45)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a transport coefficient and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the heavy DM number susceptibility. The transport coefficient is quoted as <disp-formula id="d6.46"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>16</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.46)</label></disp-formula>where we consider always only s-wave contributions and the tree-level annihilation cross section is defined as in our case, while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is also called a spectral function but might be defined slightly differently than ours. This expression looks similar to our term in chemical equilibrium <disp-formula id="d6.47"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.47a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.47)</label></disp-formula>Indeed, we find both spectral functions in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.46">(6.46)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.47">(6.47)</xref> give identical results if we take the DM dilute limit of our equation.</p><p>The number susceptibility is defined as the response of the total number density with respect to infinitesimal variation of the chemical potential: <disp-formula id="d6.48"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6.48)</label></disp-formula>In the dilute limit, using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.35">(6.35)</xref>, we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. So we find in total for the linearised equation using linear response theory: <disp-formula id="d6.49"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6.49a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d6.49a1">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(6.49)</label></disp-formula></p><p>In the following, we compare this equation based on linear response theory with our Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref>. We start from our more general expression and reproduce Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.49">(6.49)</xref> in the linear regime around chemical equilibrium while clarifying the underlying approximations. For this purpose, we have to linearize our equation around <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, where “eq” labels chemical equilibrium. On the one hand, as we have shown in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref>, the spectral function, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, does not depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as long as the DM number densities are dilute. On the other hand, the generalized ionization fraction, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula>, does depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and hence it must also be approximated as to be close to chemical equilibrium. One may easily see this by looking at the definition of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.40">(6.40)</xref>. From this expression it is clear that if the DM number densities are close to chemical equilibrium, the ionization fraction is always close to one, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, because <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Hence, in the linear regime, the total DM number densities are fully ionized and can be approximated as the free scattering contributions: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. From these observations, we reproduce Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.49">(6.49)</xref> from our Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.42">(6.42)</xref> <italic>in the linear regime around chemical equilibrium</italic>.</p><p>The linear response theory method applies, by definition, only to the linear regime around chemical equilibrium where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. It is not possible via this method to see what is the correct form of the underlying Lee-Weinberg equation describing the nonlinear regime where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Nevertheless, one might be tempted to use it by replacing the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.44">(6.44)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as done in <xref ref-type="bibr" rid="c37 c55 c56 c57 c66">[37,55–57,66]</xref>. Most important to note is that the collision term obtained from this replacement matches our equation only if the generalized ionization fraction is close to <italic>chemical equilibrium</italic>, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which is no longer true at late times. We can see how <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> depends on time from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.40">(6.40)</xref>. As we have already discussed in detail at the end of Secs. <xref ref-type="sec" rid="s6c">VI C</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref>, at late times of DM freeze-out the total comoving number density approaches a constant value while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> starts to grow rapidly for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>. As a result, we find the generalized ionization fraction to be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> at late times, which invalidates the naive replacement above. One can understand this behavior intuitively because the bound states of energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> are thermodynamically favored compared to the scattering states of energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>. For a fixed total number of DM, the bound states dominate over the scattering states at some point as in the case of the recombination. There is also another issue when correcting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> only by the Salpeter term. Since this discussion requires some detailed knowledge about thermal corrections, we share it in Appendix <xref ref-type="app" rid="app5-s3">E 3</xref>. In summary, we would like to emphasize that care must be taken if one matches the equation obtained by linear response theory to nonlinear differential equations.</p><p>Instead, one may match the equation obtained by linear response theory to our corrected form of the Lee-Weinberg equation in the nonlinear regime. By this procedure it is now also clear what the limitation exactly is. As we have discussed in detail in the previous section, our master formula for the number density equation is valid as long as ionization equilibrium can be maintained. Ionization equilibrium is broken if the decay rate exceeds the ionization rate. The temperature where this happens can be estimated for finite temperature systems, at least in the narrow width case.</p></sec></sec><sec id="s7"><label>VII.</label><title>NUMERICAL RESULTS FOR TWO-PARTICLE SPECTRAL FUNCTION AT FINITE TEMPERATURE</title><p>We turn to the numerical solution of the two-particle spectral function for the full in-medium potential. The effects of the finite temperature corrections can be simplest understood for the case of the Coulomb potential as given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.32">(5.32)</xref>. The first correction is a real constant term that shifts effectively only the energy by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. When only taking this correction into account one would thus expect that the infinite number of bound states in the spectral function of the Coulomb case just move to lower binding energies and similar shift to the threshold as well as to the positive energy spectrum. The second real-part correction is an exponential screening of the Coulomb potential with radius <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. This introduces another effect. It leads to a disappearance of the bound states closest to the threshold since Yukawa potentials have only a finite number of bound states. The disappearance of bound states wins against the move of the poles towards lower energies at the Mott transition, where all bound states disappear and the spectrum is exclusively continuous. Additionally, we have imaginary-part corrections coming from the soft DM-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> scatterings, leading to a finite thermal width of the bound states. Once the thermal width is comparable to the binding energy, the bound-state poles are strongly broadened.</p><p>The combination of all effects are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, where we present the numerical solution of the two-particle spectral function for the full in-medium potential according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref>. We show the case of the Coulomb and Yukawa potential. In this figure, we have fixed the temperature to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn></mml:math></inline-formula> (slightly below the typical DM freeze-out temperature) and varied the Debye mass where the maximal value shown corresponds to the equal charge case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of our minimal model: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The mass of the DM is fixed to 5 TeV and the coupling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:math></inline-formula> very roughly chosen to account for the correct order of the abundance.</p><fig id="f4"><object-id>4</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.115023.f4</object-id><label>FIG. 4.</label><caption><p>Two-particle spectral function at finite temperature shown vs the energy in units of typical freeze-out temperature. The violet line corresponds to the equal charge case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of our minimal model and hence <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e115023_4.eps"/></fig><p>All finite temperature effects together lead to a continuous <italic>melting</italic> of the bound-state poles. As can be seen, the melting of the bound states leads to the fact that even at negative energies, the spectrum is continuous at finite temperature. The reshuffling of the spectrum towards lower energies affects the rates <italic>exponentially</italic> according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref>. This is because the integrand (the spectral function) has more support at negative energies which is, due to Boltzmann factor, exponentially preferred in kinetic equilibrium. It now becomes clear that the notion of spectral function is more general compared to the vacuum case where one could separate the spectrum for bound and scattering states. Here, it is evident that such a distinction is impossible. It is also not necessary to do so since the integration of spectral function times Boltzmann factor takes already all contributions into account.</p><p>In all cases we study in this section, the integral has a fast convergence at negative energies well inside the validity region of HTL resummed effective theory <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. An intuitive reason why our treatment breaks down for a large negative energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the following. In this regime dark matter and antidark matter are tightly coupled. As a result, typical scatterings with momentum exchange of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> cannot probe inside the dark matter and antidark matter pair. Thus, we expect the imaginary part in the effective potential for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be suppressed by an additional Boltzmann factor. In a word, for large enough <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the situation should revert to the vacuum case and we no longer expect thermal corrections for the bound states. Indeed, for vanishing imaginary part in the potential the two-particle spectral function has no support for negative energies below the ground state energy.</p><p>Nevertheless, let us discuss how only the positive energy spectrum is affected. According to the theorem of Levinson, the scattering phases (and hence the wave function at the origin) depend on the amount or properties of the bound states. This means that thermal modifications of the bound states automatically affect also the positive energy spectrum. The impact on the positive energy spectrum depends on the melting status of the bound states. In general, there can be both, a suppression or further enhancement of the positive energy spectrum as can be seen by carefully looking at the value around <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>. We would like to stress that a suppression of the positive spectrum does not imply that the total rate is less. For the computation of the rate one has to integrate the spectral function over the whole energy range, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> becomes due to the reshuffling towards lower energies exponentially enhanced.</p><p>While for the Coulomb case, the impact of the melting on the positive energy spectrum is only very little (which does not mean that the overall effect is small), the impact for the Yukawa potential case can be much larger. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>, we compare the positive energy solution of the Yukawa spectrum at zero and finite temperature, as a function of the mediator mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The vacuum line (dashed) is obtained by solving the spectral function in the limit of vanishing finite temperature corrections. The Sommerfeld factor for this case can be obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.12">(6.12)</xref> according to <disp-formula id="d7.1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math><label>(7.1)</label></disp-formula><disp-formula id="d7.2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>⇔</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d7.1a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(7.2)</label></disp-formula>In the second line we used <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> for on-shell particles. At finite temperature this kinetic energy relation does not hold. We therefore use the second Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d7.2">(7.2)</xref> to define the Sommerfeld enhancement factor at finite temperature as shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>. The enhancement or suppression of the Sommerfeld enhancement factor due to the thermal effects is largest if the ground state is close to the threshold of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> (around the first peak from the right, here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>0.6</mml:mn></mml:math></inline-formula>). For our minimal model, it is also shown in the right plot of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref> that the whole temperature range of a typical freeze-out process can be affected. In the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> the Coulomb limit is recovered. Again, this does not mean that it is sufficient to just take the standard expression of the Sommerfeld enhancement factor of the Coulomb potential to describe the DM freeze-out. There is also a contribution from the negative energy spectrum. Therefore, one has to be careful in interpreting Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>. On the one hand side the positive energy solution (Sommerfeld enhancement factor) can be suppressed or equal compared to the vacuum case, but on the other side the total <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> entering our master formula Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref>, which requires the integration over the whole energy spectrum, can be enhanced.</p><fig id="f5"><object-id>5</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.115023.f5</object-id><label>FIG. 5.</label><caption><p>Sommerfeld enhancement factor for a Yukawa potential shown vs the mediator mass in units of the Bohr radius <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Dashed and solid lines correspond to the vacuum limit and the full in-medium potential, respectively. Effects at different temperatures are compared. Left side for typical freeze-out temperature and right plot at a typical temperature where the annihilation rate would be much smaller compared to the Hubble rate.</p></caption><graphic xlink:href="e115023_5.eps"/></fig><p>As an extreme example of this situation, let us discuss the case where there are no bound states (e.g., Yukawa potential in the Born regime <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>). The finite temperature spectral function for this case is shown in the right plot of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f6">6</xref>. Indeed, the positive energy spectrum is dominantly suppressed compared to the vacuum case but when integrating the spectral function over the Boltzmann factor in the whole energy range there is still an enhancement of order 1% compared to the vacuum case. Another extreme example, where the corrections to the positive spectrum are strongest, is the case where only the ground state exists and is close to threshold <xref ref-type="bibr" rid="c37 c55 c56">[37,55,56]</xref>. This example is shown in the left plot of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f6">6</xref>. We find in this case, the value of the integration of the spectral function times the Boltzmann factor is by up to 10% (30%) larger compared to the vacuum case <italic>without</italic> bound-state peak at the typical freeze-out temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>30</mml:mn></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>90</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). The correction increases for lower temperature due to the Boltzmann factor.</p><fig id="f6"><object-id>6</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.98.115023.f6</object-id><label>FIG. 6.</label><caption><p>Comparison between extreme examples, where only the ground state exists and is close to the threshold (left) and where no bound states exist (right). Here, the vacuum curve is defined as not including delta-peaked bound-state contributions.</p></caption><graphic xlink:href="e115023_6.eps"/></fig><p>The total rate is only proportional to the integration of the spectral function times the Boltzmann factor. There are additional finite temperature corrections to the chemical potential (see previous section) which can be also obtained from the spectral function. We have not explicitly computed those nonideal corrections yet but leave it for future work once we have included ultrasoft emissions in our system description.</p></sec><sec id="s8"><label>VIII.</label><title>DISCUSSION</title><p>A self-interacting DM system, where long-range forces and bound-state solutions exist, is in general a complex ensemble where many processes with different rates are taking place at the same time during the DM thermal history. Essentially, there are three quite different approaches in the literature with distinct motivation to describe the evolution of the abundance of the stable components for such systems:</p><p>(1) The first approach is based on a coupled set of classical on-shell Boltzmann equations. If bound-state solutions are absent, the description of the DM freeze-out acquires dominantly corrections from the Sommerfeld-enhanced annihilation of free DM particles <xref ref-type="bibr" rid="c10 c11">[10,11]</xref>. If the two-particle spectrum has support at negative energies, the free DM particles can form a bound state via radiative processes <xref ref-type="bibr" rid="c21 c82">[21,82]</xref>. The reverse process can also happen, called ionization. If there are several bound-state solutions present, further processes like excitation or deexcitation can happen <xref ref-type="bibr" rid="c22 c42">[22,42]</xref>. All those processes are in general coupled, and as we see, the list of Boltzmann equations needed to describe such systems can be long. When relying on those classical Boltzmann equation computations, treating e.g., the number density of free particles and bound states separately and as idealized, potential strong modifications arising from higher-order plasma interactions might be missed. In this approach, however, it is always guaranteed that the nonlinearity of out-of-chemical equilibrium reactions are accurately described. And there can be in general many such out-of-equilibrium reactions as listed above.</p><p>(2) The second approach starts from the EoM of correlation functions on the Keldysh contour and takes into account some finite temperature corrections. The major difference to our work is that in <xref ref-type="bibr" rid="c69">[69]</xref> it is assumed that the correlator hierarchy can by truncated at the lowest order, resulting in closed equations for the two-point functions in terms of the one-particle self-energy only. One of the equations are the so called kinetic equations, being the differential equations for describing the evolution of observables in terms of the macroscopic Wigner coordinates. In the one-particle self-energy approximation they are also known as Kadanoff-Baym equations. Expanding the self-energy in terms of the coupling to NLO results in the standard Boltzmann equation. At NNLO first finite temperature corrections enter. The advantage of a fixed order calculation is that infrared divergences, arising at NNLO cancel <xref ref-type="bibr" rid="c69">[69]</xref>. At NNLO in the self-energy expansion of the kinetic equations, the thermal corrections turn out to be strongly suppressed, i.e., to high power in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, compared to the NLO result. One should, however, keep in mind that there are next to the kinetic equations also the equations for the microscopic Wigner coordinates, called mass-shell equations accounting for, e.g., thermal corrections to the dispersion relation. Kinetic and mass-shell equations are in general coupled. Therefore, a self-consistent solution in principle requires to take account of corrections also from the mass-shell equation. In any case, the problem within this systematic approach is that a fixed order calculation can never account for correctly describing the Sommerfeld enhancement beyond the Born regime and also bound-state solutions will never appear.</p><p>(3) The third approach addresses the description of long-range force systems at finite temperature in a nonperturbative sense, i.e., by resummation of the Coulomb divergent ladder diagrams including thermal corrections. Clearly, first attempts were made in the literature of heavy quark pair annihilation in a quark gluon plasma <xref ref-type="bibr" rid="c64">[64]</xref>, produced in heavy-ion collisions at the LHC. More recently, some of these authors have applied the same techniques also to the DM freeze-out <xref ref-type="bibr" rid="c37">[37]</xref>. The method is based on <italic>linear response theory</italic> <xref ref-type="bibr" rid="c65 c66 c67">[65–67]</xref>, estimating the DM Sommerfeld-enhanced annihilation and bound-state decay from a spectral function including finite temperature corrections. It has been shown in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c55 c56 c57">[55–57]</xref> that the DM overclosure bound, computed by this method, can be strongly affected by finite temperature effects if bound-state solutions exist. Compared to a fixed order calculation as in approach 2, the finite temperature corrections are larger. The reason is because the mass-shell equations are solved by resummation of the Hard thermal loop contribution. Albeit there are potentially strong effects, the linear response theory is strictly speaking valid only for systems close to thermal equilibrium, e.g., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. At finite temperature the spectral function can in general depend on the DM density. Therefore, it is <italic>a priory</italic> not clear if the transport coefficients extracted from linear response theory can be inserted into a nonlinear Boltzmann equation describing the DM freeze-out in a nonlinear regime where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula>. From vacuum computations it is known that the Sommerfeld effect can still be efficient in such a regime. This is because the transition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> happens in a short time, since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> decreases rapidly. To the best of our knowledge this method, inserting transport coefficients obtained from linear response theory into a nonlinear Boltzmann equation, has not been tested so far by using other treatments applying for generic out-of equilibrium situations.</p><p>Our formalism, presented in this work, aims towards a first step in unifying the approach 1 and 3, by generalizing the approach 2 for long-range force systems. In other words, we derived from the EoM of Keldysh correlation functions the number density equation for DM including finite temperature corrections and accounting for the full resummation of Coulomb divergent ladder diagrams. This allows to study the finite temperature corrected Sommerfeld-enhanced annihilation as well as bound-state decay. Moreover, our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> is able to describe the correct nonlinear transition to out-of-chemical equilibrium, i.e., the freeze-out process.</p><p>Although we have derived all equations on the Keldysh contour, and therefore they should be valid for any out-of-equilibrium situation of the system, the reader should be reminded what precisely our system is. While it remains true that we can describe correctly Sommerfeld-enhanced annihilation and bound-state decay in the presence of a relativistic plasma background for out-of equilibrium situations, we have dropped from the beginning, when deriving our nonrelativistic effective action, ultrasoft contributions of the fully relativistic action. Hence, Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.20">(4.20)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.21">(4.21)</xref> are missing ultrasoft contributions leading to bound-state formation and ionization processes via the emission or absorption of a mediator, as well as contributions to excitation or de-excitation processes if multiple bound states exist. Once ultrasoft terms are included in the system of equations, we expect the final equations, if finite temperature effects are neglected, to coincide with the full set of equations of approach 1. Moreover, the inclusion of emission and absorption in the Keldysh formalism might lead to new insights in the production rate of dileptons or photons, produced from heavy-quark pair annihilation in a quark gluon plasma.</p><p>In the second half of the work, we have indirectly included all bound-state formation, ionization, excitation, and deexcitation processes. This was achieved by assuming our system is in a grand canonical state with one single time dependent chemical potential as in our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref>. The important observation that adopting a grand canonical picture automatically implies ionization equilibrium if bound states are present was by far not obvious to us. This key observation brought us to the conclusion that our equations in the limit of vanishing thermal corrections are equivalent to the coupled system of classical Boltzmann equations in the limit of ionization equilibrium. Thus we have shown that under certain assumptions our approach and approach 1 consistently fall together. Another important point based on this observation was that, since the ionization fraction at chemical equilibrium is close to unity, our and approach 3 are equivalent to approach 1 in the regime linear near chemical equilibrium.</p><p>Important to recognize was that our approach and approach 3 give different results if the transport coefficients extracted from linear response theory is inserted into a nonlinear Boltzmann equation just by replacing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c55 c56 c57">[55–57]</xref>. This is because the ionization fraction depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> where another nonlinearity comes in, and in particular, the ionization fraction will be much smaller than unity at late times. This is intuitively because the bound states are exponentially favored compared to the scattering states for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Furthermore, the ionization fraction counteracts against the exponential grow of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>chem</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> or of our <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for late limes if bound-state solutions exist. In a word, while the spectral function is identical between the linear response and ours in the DM dilute limit, the ionization fraction makes the difference. This effect is non-negligible when at late times the DM gets depleted by bound-state formation effects.</p><p>Our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> cannot be used at very late times where ionization equilibrium is not maintained. Therefore, one has to be careful in relying on our so far simplified treatment for all times during the DM thermal history. More generally, when using our equations, it has to be ensured that the rates driving the system to kinetic and ionization equilibrium are much faster than any other rates leading to a potential out-of-kinetic or -ionization equilibrium state. In the case of no <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles (no finite temperature corrections), it was shown in Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c21 c22 c42">[21,22,42]</xref> that the decay of the bound state becomes faster than the ionization via emission and absorption processes by an electric dipole operator at some point, which breaks the ionization equilibrium at late times. Later, when the bound-state formation becomes inefficient compared to the cosmic expansion, the dark matter number freezes out completely. Estimating the valid regime of our approach in the presence of finite temperature corrections is a more complicated task. To draw a definitive conclusion in our case, one has to estimate these processes, including emission and absorption of ultrasoft gauge bosons, in the presence of the thermal plasma. As we have discussed already in detail, this might only be realizable if the thermal width is negligible compared to the real-part corrections. Furthermore, one has to keep in mind that the number of existing bound-state solutions is temperature dependent when already only real-part corrections are taken into account.</p><p>After this warning, we now would like to discuss the case where a grand canonical description with one single chemical potential is justified. As we have in detail presented in this work, all finite temperature corrections are then totally encoded in the solution of the DM two-particle spectral function. In the presence of ultrarelativistic fermionic particles in the background, the hard thermal loop resummed corrections to the DM system can be classified into three contributions [see effective in-medium potential Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.32">(5.32)</xref>]. The first two contributions are real-part corrections to the DM effective in-medium potential. The first one leads to an energy shift (Salpeter correction) in the DM two-particle spectral function by an amount of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> towards lower energies compared to the vacuum case. Second, the Debye mass <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> leads to a screening of the Coulomb potential, resulting in a temperature dependent Yukawa potential with screening radius <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The third contribution to the effective potential is purely imaginary and originates from soft DM scattering processes with the ultrarelativistic fermions in the hot and dense background.</p><p>Let us first discuss the two real-part corrections and their implication on the two-particle spectral function for the case of a Coulomb potential. In the limit of vanishing real-part corrections, it is well known that a Coulomb system has infinitely many bound-state solutions. Furthermore, the bound-state solutions and the scattering states can clearly be separated sharply at the energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in the two-particle spectral function (see Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>). If the real-part finite-temperature corrections are included, bound states close to the threshold <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> disappear in the spectrum. This is simple to understand. First of all, by the real-part corrections the Coulomb potential transforms into a Yukawa potential. Yukawa potentials have only a finite number of bound states. Secondly, due to the energy shift caused by the other real-part correction, the threshold is lowered. The combination of these two effects causes the disappearance of highly excited bound states close to the threshold and the spectrum is continuous instead of discrete. The effect gets stronger with increasing Debye mass leading at the Mott transition to a total disappearance of all bound states.</p><p>Already when only real-part corrections to the in-medium potential are included, the number of bound states as well as their binding energies are temperature dependent according to the discussion above. It implies that a sharp definition of bound and scattering states can not be made for all times during the DM thermal history. However, for our total number density equation, it is NOT required at all to distinguish between bound and scattering states. For example, the computation of the ionization fraction via the generalized Saha Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.40">(6.40)</xref> can always be performed without specifying what is a bound or scattering contribution. Another example is the spectral function entering the total number density in the production term. Also here, the integration of the spectral function automatically takes into account all contributions from the spectrum. Only in the absolute vacuum limit, it is possible to separate contributions. At finite temperature everything is mixed into one single object. A separation would only cause problems like unphysical jumps in projected thermodynamical quantities when bound states abruptly disappear (if only real-part corrections are included).</p><p>The mixing between scattering and bound-state solutions becomes even stronger once the imaginary contributions to the effective in-medium potential are included. As we have seen in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref>, these corrections lead to a thermal width of the peaks of the bound states and a continuous melting of the poles for increasing Debye mass, as illustrated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>. Note that instead of changing the independent coupling in the Debye mass, we could have also increased the number of generations of ultrarelativistic particles in the plasma. The Debye mass is proportional to the square root of number of generations, and thus, if most of the particle content of the Standard Model would run in the thermal loop, we can have a large Debye mass although the coupling is still small. The broadening of the peak and the shift towards lower binding energies increases the annihilation or decay rate exponentially (again its not necessary to distinguish between these two) due to the integration of the product of two-particle spectral function and the Boltzmann factor, as in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.8">(5.8)</xref>.</p><p>Although, we focused on a simple U(1) like theory and s-wave contributions in the present work, most of the equations for higher gauge theories, scalar mediators, or higher partial waves will change in the expected way. Let us already mention some major changes. The mediator self-energy would acquire further contributions from self-interactions as well as different colour or flavor prefactors. The definition of the effective in-medium potential in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.31">(5.31)</xref> remains the same and is computed from the specific dressed mediator correlator. The r.h.s. of the Schrödinger-like Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.30">(5.30)</xref> will be proportional to the number of colours. Our number density Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref> in the case of velocity dependent tree-level annihilation cross sections (like in p-wave case) will have a space derivative on the r.h.s. As expected, our formalism breaks down for temperatures around the confining scale of confining theories.</p></sec><sec id="s9"><label>IX.</label><title>SUMMARY AND CONCLUSION</title><p>Traditional computations of DM Sommerfeld-enhanced annihilation and bound-state decay rates rely on the assumption that reactions of such processes are taking place under perfect vacuum conditions. In this work we developed a comprehensive derivation of a more general description, taking into account nonideal contributions arising from simultaneous interactions with the hot and dense plasma environment in the early Universe. We have derived the evolution equation for the DM number density which is applicable to the case where scattering and bound states get strongly mixed due to the influence of the thermal plasma surrounding. Our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> for the total DM density simultaneously accounts for annihilation and bound-state decay and hence its collision term is in general not quadratic in the DM number density. We showed that finite temperature effects can lead to strong modifications of the shape of the two-particle spectrum, which in turn modifies the DM annihilation or decay rates.</p><p>The Keldysh formalism we adopted throughout this work applies for the description of the dynamics of generic out-of-equilibrium states. Within this mathematical framework, we derived in the first part of this work directly from our nonrelativistic effective action the exact equation of motion of the DM two-point correlation functions. We extracted for the first time from those EoM the differential equation for the DM number density [see Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.24">(3.24)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.25">(3.25)</xref>], which turns out to only depend on a special component of the DM four-point function on the Keldysh contour, namely <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Let us emphasize again that this equation for the number density is exact within our nonrelativistic effective action; however, it is not closed since it depends on the solution of this four-point correlation function. The long-range force enhanced annihilations, the decay of bounded particles as well as the finite temperature corrections are all contained in the solution of this one single four-point correlator.</p><p>In the second part of this work, we derived the EoM for the DM four-point function on the Keldysh contour. We developed the approximations needed in order to close the hierarchy of correlators but at the same time keep the resummation of Coulomb divergent ladder diagrams as well as the finite temperature corrections. Based on our approximation and resummation scheme, the final form of the equation for our target component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is physically sound and maintains important relations like the KMS condition in equilibrium. The coupled system of equations is general enough to apply for the description of DM out-of-chemical equilibrium states.</p><p>In the third part, we explored further approximations needed in order to obtain a simple solution to our target component and to reproduce from our general equations the results in the literature, based on different assumptions. So far existing literature has estimated transport coefficients from linear response theory and entered those into a nonlinear Boltzmann equation by classical rate arguments <xref ref-type="bibr" rid="c37 c55 c56 c57 c64 c65 c66 c67">[37,55–57,64–67]</xref>. We have proven that our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> is equivalent to the method of linear response only in the linear regime close to chemical equilibrium. Finally, we must point out that the Lee-Weinberg equation, adopted in <xref ref-type="bibr" rid="c37 c55 c56 c57 c66">[37,55–57,66]</xref> to rederive the DM overclosure bound in the nonlinear regime, is not the correct form of the number density equation to use if bound-state solutions exist in the spectrum. The ionization fraction causes the difference as discussed in great detail in our work.</p><p>When taking the vacuum limit, our master equation reduces correctly to the coupled system of classical Boltzmann equations for ideal number densities of bound and scattering states <italic>in the limit of ionization equilibrium</italic>. In our method, it came out as a consequence of assuming the system is in a grand canonical state. Namely, we have proven that the assumption of a grand canonical state automatically implies the Saha ionization equilibrium if bound-state solution exist. One has to take the assumption of ionization equilibrium to be fulfilled for all times with a grain of salt for the following reason. From the vacuum treatment it is known that the duration of Saha ionization equilibrium is limited. Therefore, when using our master equation one has to carefully check that this condition is satisfied for a sufficiently long period. And especially when the assumption of ionization equilibrium is not justified, one has to make sure that at least the abundance of the stable scattering states are not affected by out-of-ionization equilibrium effects which might be model dependent.</p><p>The reason why in our Keldysh formalism we cannot resolve this issue at the moment lies in one particular approximation, made from the beginning. Ultrasoft emissions and absorptions were dropped for simplicity. We leave the inclusion of those quantities for future work, but expect once they are included we can fully recover the general set of coupled classical Boltzmann equations in the vacuum limit of our (future) updated equations. Moreover, this would allow us to describe Sommerfeld-enhanced annihilation and bound-state decay at finite temperature for the first time beyond the ionization equilibrium.</p><p>In the regime where ionization equilibrium is maintained, we have shown that finite temperature effects strongly mix bound and scattering states and the effects are all encoded in the solution of the two-particle spectral function. Let us remark that the numerical results for the spectral function obtained in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref> are compatible with the linear response theory approach <xref ref-type="bibr" rid="c37 c55 c56 c57 c64 c65 c66 c67">[37,55–57,64–67]</xref>, although we started from a completely different method. The component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in our master Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.1">(6.1)</xref> can be enhanced by much more than 10%. In addition, our master equation is applicable to the nonlinear regime beyond the limitation of linear response if, at least, the ionization equilibrium is maintained. These results make it definitely worthwhile to further generalize our Keldysh description in order to correctly describe the out-of-ionization equilibrium transition at late times by including contributions from the ultrasoft scale.</p></sec></body><back><ack><title>ACKNOWLEDGMENTS</title><p>We are thankful to Kalliopi Petraki, Andrzej Hryczuk, Mikko Laine, and Shigeki Matsumoto for very useful comments on our manuscript. T. B. thanks the DESY Theory Group and Kavli IPMU for hospitality during an early phase of this project. This work is supported by Grant-in-Aid for Scientific Research from the Ministry of Education, Science, Sports, and Culture (MEXT), Japan, World Premier International Research Center Initiative (WPI Initiative), MEXT, Japan, and the JSPS Research Fellowships for Young Scientists (K. M.). T. B. and L. C. received funding from the German Research Foundation [Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)] through the Institutional Strategy of the University of Göttingen (RTG 1493), the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program InvisiblesPlus RISE under the Marie Sklodowska-Curie Grant Agreement No. 690575, and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program Elusives ITN under the Marie Sklodowska-Curie Grant Agreement No. 674896.</p></ack><app-group><app id="app1"><label>APPENDIX A:</label><title>SEMIGROUP PROPERTY OF FREE CORRELATORS</title><p>Free correlators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> fulfil <italic>semigroup properties</italic>: <disp-formula id="da1"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(A1)</label></disp-formula><disp-formula id="da2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da2a1">=</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(A2)</label></disp-formula><disp-formula id="da3"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(A3)</label></disp-formula><disp-formula id="da4"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da4a1">=</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A4)</label></disp-formula><disp-formula id="da5"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da5a1">=</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A5)</label></disp-formula><disp-formula id="da6"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da6a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(A6)</label></disp-formula><disp-formula id="da7"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da7a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>A</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A7)</label></disp-formula>Note, there is no time integration here. All relations follow from the first Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="da1">(A1)</xref> by using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2.13">(2.13)</xref>. It might be helpful to prove the first equation from definition, where we have <disp-formula id="da8"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da8a1">=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(A8)</label></disp-formula>The free spectral function for nonrelativistic particles is in Fourier space given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then it follows: <disp-formula id="da9"><mml:math display="block"><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><label>(A9)</label></disp-formula><disp-formula id="da10"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub></mml:math><label>(A10)</label></disp-formula><disp-formula id="da11"><mml:math display="block"><mml:mo indentalign="id" indenttarget="da11a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da11a1">⁢</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>·</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="da11a1">⁢</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>·</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math><label>(A11)</label></disp-formula><disp-formula id="da12"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>·</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:math><label>(A12)</label></disp-formula><disp-formula id="da13"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>for</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>□</mml:mo></mml:math><label>(A13)</label></disp-formula></p></app><app id="app2"><label>APPENDIX B:</label><title>ANNIHILATION TERM</title><p>Although one can directly compute <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> defined on the closed-time-path contour, it is instructive to see how one can recover it from the more common computation of annihilations. Usually, we compute the matrix element by means of Feynman correlators so as to evaluate annihilations, which means that both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula> are on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> contour. And thus, it yields the upper left component of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. The question is how to recover the remaining three components. To answer it, let us go back one step further, namely before integrating out hard products of the annihilation. Suppose that the interaction with them takes the following form: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> being the products of the annihilation. Here <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is defined as Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.4">(3.4)</xref> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents hard d.o.f. Then, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is obtained from the cuttings of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Since we assume that the background plasma is in thermal equilibrium and does not change by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>η</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> reactions, the two-point correlator of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> only depends on the space-time difference <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="db1"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>†</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(B1)</label></disp-formula>By definition, incoming energy/momentum from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is much smaller than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which justifies the following approximation: <disp-formula id="db2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="db2a1">≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B2)</label></disp-formula>Taking the imaginary part and comparing it with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, one can see that the usual computation corresponds to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. As the background plasma is assumed to be close to equilibrium, we can use the Kubo-Martin-Schwinger (KMS) relation, which essentially connects all the other combinations, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, with this one. Moreover, because of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, one can safely neglect <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. As a result, we end up with <disp-formula id="db3"><mml:math display="block"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(B3)</label></disp-formula><disp-formula id="db4"><mml:math display="block"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(B4)</label></disp-formula><disp-formula id="db5"><mml:math display="block"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db5a1">=</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mi>adv</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db5a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(B5)</label></disp-formula><disp-formula id="db6"><mml:math display="block"><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db6a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ret</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db6a1">=</mml:mo><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:msub><mml:mi>O</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(B6)</label></disp-formula>which results in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.4">(3.4)</xref>. Here, several properties of equilibrium correlators were used, as given in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>.</p></app><app id="app3"><label>APPENDIX C:</label><title>HARD THERMAL LOOP APPROXIMATION</title><p>The Fourier transform of the ideal <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> two-point function is in the Keldysh representation given by <disp-formula id="dc1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dc1a1">=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:menclose notation="updiagonalstrike" other="updiag3"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:menclose><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="dc1a1">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(C1)</label></disp-formula>Combining different components, the following retarded, advanced, and symmetric propagator can be obtained: <disp-formula id="dc2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:menclose notation="updiagonalstrike" other="updiag3"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:menclose><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>sign</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C2)</label></disp-formula><disp-formula id="dc3"><mml:math display="block"><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dc3a1">≡</mml:mo><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dc3a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:menclose notation="updiagonalstrike" other="updiag3"><mml:mi>P</mml:mi></mml:menclose><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(C3)</label></disp-formula>The inverse relations are given by <disp-formula id="dc4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dc4a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dc4a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dc4a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C4)</label></disp-formula>By using these relations, the one-loop expression of the retarded mediator correlator can be simplified as <disp-formula id="dc5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="dc5a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(C5)</label></disp-formula>Let us take the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> mass, leading in Fourier space to the following retarded self-energy of the mediator: <disp-formula id="dc6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>00</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dc6a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>sgn</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C6)</label></disp-formula>Dropping the vacuum part and integrating over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> one obtains: <disp-formula id="dc7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>00</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>sgn</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>·</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>sgn</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(C7)</label></disp-formula>The result so far is exact up to the fact that we neglected the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:math></inline-formula> mass and ignored the vacuum contribution. Now, the <italic>hard-thermal-loop approximation</italic> <xref ref-type="bibr" rid="c71">[71]</xref> assumes that the external energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and momentum <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> are smaller compared to the typical loop momentum <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> which is of the order temperature (hard), since the integrand contains <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>F</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Expanding the term in the brackets to leading order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:math></inline-formula>, all remaining integrals can be performed analytically leading to the finite result: <disp-formula id="dc8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>00</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(C8)</label></disp-formula>where the Debye mass is defined as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This result coincides with the result obtained from the imaginary time formalism, where instead one has to perform a sum over Matsubara frequencies.</p></app><app id="app4"><label>APPENDIX D:</label><title>VACUUM LIMIT OF TWO-PARTICLE SPECTRAL FUNCTION</title><p>Here we will derive Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.12">(6.12)</xref> starting from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref> in the limit of vanishing finite temperature corrections. As we have briefly mentioned in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5d">V D</xref>, for the vacuum limit one has to carefully take into account the imaginary part <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the retarded equation, representing the small width which will be taken to be zero in the end. We will see that the result does not depend on this <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> prescription as long as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is small enough.</p><p>Suppose that the potential almost vanishes for a large enough <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For a Yukawa type potential, this is true for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> parameter should be much smaller than this mass parameter, namely <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In the case of the Coulomb potential one may introduce another small mass parameter to the gauge boson. In the end of the computation one can take it to be zero while keeping <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the homogeneous solutions, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, can be well approximated by the plane wave: <disp-formula id="dd1"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>→</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(D1)</label></disp-formula><disp-formula id="dd2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd1a1" stretchy="false">→</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D2)</label></disp-formula>The Wronskian tells us that there exists a nontrivial relation between two coefficients <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Since the Wronskian, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, does not depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, one may equate it at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which yields <disp-formula id="dd3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(D3)</label></disp-formula>We have taken <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be zero in the end of the computation.</p><p>Let us evaluate the integral given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref> by means of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="dd2">(D2)</xref>. The first observation is that there is no imaginary part for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is zero from the beginning. Thus, the integrand becomes relevant only after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msup><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. As a result one may evaluate the integral in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref> by substituting Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="dd2">(D2)</xref>: <disp-formula id="dd4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="dd4a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="dd4a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(D4)</label></disp-formula><disp-formula id="dd5"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(D5)</label></disp-formula>Finally, substituting Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="dd3">(D3)</xref> into this equation, we arrive at <disp-formula id="dd6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D6)</label></disp-formula>where we have used <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>Now we are in a position to discuss its relation to the conventional definition of the Sommerfeld enhancement factor. In the limit of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the wave function propagates to infinity. Then one may obtain the Sommerfeld enhancement factor by extracting the amplitude of the wave function at the infinity, which is nothing but the relation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c44">[44]</xref> for instance. Utilizing this relation, we finally get Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.12">(6.12)</xref>. For conventional reason, let us give the s-wave Sommerfeld enhancement factor for the Coulomb case consistent with our equations: <disp-formula id="dd7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D7)</label></disp-formula></p><p>For the bound state, it is much easier to solve the equation directly rather starting from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.44">(5.44)</xref>. One may express the spectral function by means of the wave functions for the bound states <xref ref-type="bibr" rid="c37">[37]</xref>: <disp-formula id="dd8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mn mathvariant="bold">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(D8)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> represents the normalized wave function for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>th bound state. For instance, the wave function for the lowest energy state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> is given by <disp-formula id="dd9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D9)</label></disp-formula>The decay rate of the bound state is related to its wave function at the origin. For the lowest state, one can easily show this from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="dd9">(D9)</xref>: <disp-formula id="dd10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:none/><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D10)</label></disp-formula>where the decay rate of the lowest bound state is given by <disp-formula id="dd11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:none/><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(D11)</label></disp-formula></p><p>Similar calculation holds in the limit of negligible thermal width but finite real-part corrections. For this case one should substitute the kinetic energy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>rel</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> and similar for the bound-state energy. Also one has to take <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> smaller than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></app><app id="app5"><label>APPENDIX E:</label><title>NUMBER DENSITY AND CHEMICAL POTENTIAL IN GRAND CANONICAL ENSEMBLE</title><p>In this section, we present an alternative way of how to derive the chemical potential as a function of the total number density directly from the EoM. It is convenient to write the EoM in integral form as <disp-formula id="de1"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de1a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="de1a1">⁢</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(E1)</label></disp-formula><disp-formula id="de2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de2a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="de2a1">⁢</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E2)</label></disp-formula>The number density is given by the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> component, namely in Wigner coordinates it reads <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Now one can already clearly see the structure that the total number density is given by the ideal number density plus interactions. These equations are exact within our nonrelativistic effective action. Expanding <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> around the narrow width limit and assuming a grand canonical state, one should recover Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.35">(6.35)</xref> for the number density since the only assumption entering there is the narrow width approximation. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d6.35">(6.35)</xref> is the correct thermodynamic definition of the number density which should coincide with the result obtained by solving for the number density from these integral EoM when assuming a thermodynamic picture like the grand canonical ensemble. It requires a rigorous proof of this claim, which we would like to give somewhere else.</p><p>Instead, we would like to give some approximations in order to obtain an analytic solution of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de1">(E1)</xref>. We restrict the discussion by assuming the system is in a grand canonical state. Utilizing the KMS condition for finite chemical potential, one can formally solve <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in terms of spectral function: <disp-formula id="de3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo id="de3a1">=</mml:mo><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn mathvariant="bold">0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de3a1">=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de3a1">≃</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>Tr</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E3)</label></disp-formula>In the last equality we assumed the DM gas to be dilute and approximated the Fermi-Dirac distribution as a Maxwellian. By KMS relation we have formally solved for the number density in terms of chemical potential and spectral function. The spectral function can be computed from the retarded component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, according to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (see Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>). The EoM of the retarded correlator can be obtained from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de1">(E1)</xref> by subtracting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> from the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> component, e.g., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. In subsequent sections we solve the retarded equation in various approximations, compute the spectral function and finally evaluate Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de3">(E3)</xref>.</p><sec id="app5-s1"><label>1.</label><title>Ideal gas approximation</title><p>The ideal gas approximation can be defined as the zeroth order contribution in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de1">(E1)</xref>. This means we have to know the solution of the free retarded correlator. It can be obtained from the differential form of the retarded equations. In Fourier space of the microscopic Wigner coordinates it is given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, leading to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Inserting this into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de3">(E3)</xref> results in the ideal gas approximation of the free number density: <disp-formula id="de4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E4)</label></disp-formula>We can invert this relation to obtain the chemical potential as a function of the number density in the ideal gas approximation: <disp-formula id="de5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>id</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>where</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(E5)</label></disp-formula>And similar expressions for antiparticle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="app5-s2"><label>2.</label><title>Hartree-Fock approximation</title><p>The Hartree-Fock approximation is the zero order approximation of the four-point correlator. Using Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d4.9">(4.9)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d4.10">(4.10)</xref>, one obtains <disp-formula id="de6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(E6)</label></disp-formula><disp-formula id="de7"><mml:math display="block"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(E7)</label></disp-formula>valid for symmetric DM. Inserting this into Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="de1">(E1)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="de2">(E2)</xref> and subtracting the components <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, one obtains for the retarded equations: <disp-formula id="de8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de8a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="de8a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E8)</label></disp-formula><disp-formula id="de9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de9a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="de9a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E9)</label></disp-formula>The single particle self-energies are defined on the CTP contour as we have introduced in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.20">(5.20)</xref>. The retarded component is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and can be written as <disp-formula id="de10"><mml:math display="block"><mml:malignmark/><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="de10a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><label>(E10)</label></disp-formula><disp-formula id="de11"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math><label>(E11)</label></disp-formula><disp-formula id="de12"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(E12)</label></disp-formula>In the last step, the definition <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> was used and the fact that the retarded function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> projects out only the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> contribution due to equal times in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. A key observation is that the self-energy can depend on the DM number density and chemical potential due to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> contribution. This might lead to a nonlinear dependence of the total number density on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> when inserting the spectral function obtained from the retarded equation into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de3">(E3)</xref>. In the following we would like to perturbatively resum Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="de8">(E8)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="de9">(E9)</xref> which brings us later to the widely used Salpeter correction. Let us therefore drop the dependence of the self-energy on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Then the equation is closed in terms of the retarded correlators <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Within this approximation, the self-energy can be written in Fourier space as (to leading order gradient expansion): <disp-formula id="de13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="de13a1">=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(E13)</label></disp-formula><disp-formula id="de14"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math><label>(E14)</label></disp-formula><disp-formula id="de15"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(E15)</label></disp-formula><disp-formula id="de16"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(E16)</label></disp-formula><disp-formula id="de17"><mml:math display="block"><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(E17)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The final form is convenient for inserting the static HTL approximation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> as given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3.11">(3.11)</xref>. Performing the one-loop calculation results in <disp-formula id="de18"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de18a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de18a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E18)</label></disp-formula>One can recognize that this result is exactly half the effective in-medium potential for two particles at large distance; see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d5.32">(5.32)</xref>. Now, for perturbative resummation we replace the retarded correlators at the end of Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="de8">(E8)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="de9">(E9)</xref> by the fully dressed one: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Performing Wigner and Fourier transformation of the equation leads at the leading order in gradient expansion to <disp-formula id="de19"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(E19)</label></disp-formula>and similar equation for the antiparticle. Then, by using geometric series one ends up with the HTL single particle correlators: <disp-formula id="de20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de20a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de20a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E20)</label></disp-formula>Computing the spectral function from the difference of retarded and advanced correlators results in a Breit-Wigner shape: <disp-formula id="de21"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E21)</label></disp-formula>where the particle width is defined by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>ℑ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In summary, we evaluated the four-point correlator in the Hartree-Fock (HF) approximation and formally solved for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a function of the self-energy in static HTL approximation, shifting the energy by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and broadening the peak via imaginary contributions. Finally, let us quote the chemical potential in HF and static HTL approximation: <disp-formula id="de22"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>HF</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de22a1">=</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>HF</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>where</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>HF</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de22a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="de22a1">⁢</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E22)</label></disp-formula>This approximation might be already good enough if there are no bound states but the two-particle spectral function has support at negative energies due to thermal width. We also see that one-particle spectral function can have spectral support at negative energies.</p></sec><sec id="app5-s3"><label>3.</label><title>Salpeter correction</title><p>Taking the limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in the spectral function Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de21">(E21)</xref> results in <disp-formula id="de23"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E23)</label></disp-formula>This is called the <italic>narrow width</italic> or <italic>quasiparticle</italic> approximation, taking only the real-part correction into account. Inserting the spectral function into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de3">(E3)</xref> leads to the chemical potential and equilibrium number density: <disp-formula id="de24"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de24a1">=</mml:mo><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mtext>where</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="de24a1">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(E24)</label></disp-formula>For the self-energy in the static HTL approximation, the real-part correction is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>ℜ</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Σ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, according to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="de18">(E18)</xref>. This is the well-known <italic>Salpeter correction</italic> to the equilibrium distribution.</p><p>The Salpeter correction is a simple first order approximation for the description of quasi particles in a plasma. As we have seen in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6d">VI D</xref>, it might be however required for our number density equation to compute both, the annihilation/decay rates <italic>and</italic> the chemical potential, to the same level of approximation in the four-point correlator. Especially when bound-state solutions exist it is required to solve the four-point correlator nonperturbatively (by resummation). The Salpeter correction was obtained by approximating the four-point correlator as a product of free particles without self-interactions; see Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="de6">(E6)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="de8">(E8)</xref>. Thus, in this approximation of the chemical potential, bound-state contributions never appear. It might lead to inconsistencies in the number density equation, like exponentially growing terms for late times.</p><p>Let us illustrate why the Salpeter correction is not enough to correctly describe the freeze-out at late times. We plug the chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>SP</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in Salpeter approximation into our master formula for the number density and obtain <disp-formula id="de25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(E25)</label></disp-formula><disp-formula id="de26"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>rel</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(E26)</label></disp-formula>There are two reasons why this description fails at late times if bound-state solutions exist. First of all, since no bound states are included in the computation of the chemical potential in Salpeter approximation, the ionization degree would always be approximated as 1. Second, if one would compute the spectral function in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> nonperturbatively, this would cause an exponential growing term at late times, caused by the bound states: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>β</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. In the Salpeter approximation, the denominator <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>SP</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> cannot kill this unphysical behavior. Note however, if one computes the chemical potential to the same level as the annihilation rates, the degree of ionization exhibits a term leading to a cancellation of the exponential growing term in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>η</mml:mi><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Our main number density equation automatically incorporates this because it evaluates the chemical potential and number density to the same level of approximation. The Salpeter correction together with solving the spectral function nonperturbatively was used in Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c55 c56 c57">[55–57]</xref>.</p></sec></app></app-group><ref-list><ref id="c1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>1</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>P. A. R. Ade</string-name> <etal/> (<collab>Planck Collaboration</collab>)</person-group>, <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>594</volume>, <page-range>A13</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">AAEJAF</pub-id><issn>0004-6361</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1051/0004-6361/201525830</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>2</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. Aghanim</string-name> <etal/> (<collab>Planck Collaboration</collab>)</person-group>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:1807.06209</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>3</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. W. Randall</string-name>, <string-name>M. Markevitch</string-name>, <string-name>D. Clowe</string-name>, <string-name>A. H. Gonzalez</string-name>, and <string-name>M. Bradac</string-name></person-group>, <source>Astrophys. J.</source> <volume>679</volume>, <page-range>1173</page-range> (<year>2008</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ASJOAB</pub-id><issn>1538-4357</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1086/587859</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>4</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Miralda-Escude</string-name></person-group>, <source>Astrophys. J.</source> <volume>564</volume>, <page-range>60</page-range> (<year>2002</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ASJOAB</pub-id><issn>1538-4357</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1086/324138</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>5</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. H. G. Peter</string-name>, <string-name>M. Rocha</string-name>, <string-name>J. S. Bullock</string-name>, and <string-name>M. Kaplinghat</string-name></person-group>, <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>430</volume>, <page-range>105</page-range> (<year>2013</year>).<pub-id pub-id-type="coden">MNRAA4</pub-id><issn>0035-8711</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1093/mnras/sts535</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>6</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Tulin</string-name> and <string-name>H.-B. Yu</string-name></person-group>, <source>Phys. Rep.</source> <volume>730</volume>, <page-range>1</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRPLCM</pub-id><issn>0370-1573</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.physrep.2017.11.004</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>7</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>B. W. Lee</string-name> and <string-name>S. Weinberg</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>39</volume>, <page-range>165</page-range> (<year>1977</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.39.165</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>8</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. R. Ellis</string-name>, <string-name>J. S. Hagelin</string-name>, <string-name>D. V. Nanopoulos</string-name>, <string-name>K. A. Olive</string-name>, and <string-name>M. Srednicki</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B238</volume>, <page-range>453</page-range> (<year>1984</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0550-3213(84)90461-9</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>9</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Arcadi</string-name>, <string-name>M. Dutra</string-name>, <string-name>P. Ghosh</string-name>, <string-name>M. Lindner</string-name>, <string-name>Y. Mambrini</string-name>, <string-name>M. Pierre</string-name>, <string-name>S. Profumo</string-name>, and <string-name>F. S. Queiroz</string-name></person-group>, <source>Eur. Phys. J. C</source> <volume>78</volume>, <page-range>203</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">EPCFFB</pub-id><issn>1434-6044</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1140/epjc/s10052-018-5662-y</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>10</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Hisano</string-name>, <string-name>S. Matsumoto</string-name>, and <string-name>M. M. Nojiri</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>92</volume>, <page-range>031303</page-range> (<year>2004</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.92.031303</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>11</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Hisano</string-name>, <string-name>S. Matsumoto</string-name>, <string-name>M. Nagai</string-name>, <string-name>O. Saito</string-name>, and <string-name>M. Senami</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>646</volume>, <page-range>34</page-range> (<year>2007</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.physletb.2007.01.012</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>12</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Sommerfeld</string-name></person-group>, <source>Ann. Phys. (Amsterdam)</source> <volume>403</volume>, <page-range>257</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">APNYA6</pub-id><issn>0003-4916</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1002/andp.19314030302</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c13"><label>[13]</label><mixed-citation id="c13a" publication-type="journal"><object-id>13a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. D. Sakharov</string-name></person-group>, <source>Zh. Eksp. Teor. Fiz.</source> <volume>18</volume>, <page-range>631</page-range> (<year>1948</year>) <pub-id pub-id-type="coden">ZETFA7</pub-id><issn>0044-4510</issn></mixed-citation><mixed-citation id="c13b" publication-type="journal" specific-use="author"><object-id>13b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. D. Sakharov</string-name></person-group><source>Usp. Fiz. Nauk</source> <volume>161</volume>, <page-range>29</page-range> (<year>1991</year>).<pub-id pub-id-type="coden">UFNAAG</pub-id><issn>0042-1294</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.3367/UFNr.0161.199105c.0029</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>14</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Pospelov</string-name> and <string-name>A. Ritz</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>671</volume>, <page-range>391</page-range> (<year>2009</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.physletb.2008.12.012</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>15</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. D. March-Russell</string-name> and <string-name>S. M. West</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>676</volume>, <page-range>133</page-range> (<year>2009</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.physletb.2009.04.010</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>16</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>W. Shepherd</string-name>, <string-name>T. M. P. Tait</string-name>, and <string-name>G. Zaharijas</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>79</volume>, <page-range>055022</page-range> (<year>2009</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.79.055022</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>17</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>K. Belotsky</string-name>, <string-name>D. Fargion</string-name>, <string-name>M. Khlopov</string-name>, and <string-name>R. V. Konoplich</string-name></person-group>, <source>Phys. At. Nucl.</source> <volume>71</volume>, <page-range>147</page-range> (<year>2008</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PANUEO</pub-id><issn>1063-7788</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1134/S106377880801016X</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>18</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. Arkani-Hamed</string-name>, <string-name>D. P. Finkbeiner</string-name>, <string-name>T. R. Slatyer</string-name>, and <string-name>N. Weiner</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>79</volume>, <page-range>015014</page-range> (<year>2009</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.79.015014</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>19</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. R. Slatyer</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2010</volume>) <page-range>028</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2010/02/028</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>20</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. L. Feng</string-name>, <string-name>M. Kaplinghat</string-name>, and <string-name>H.-B. Yu</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>82</volume>, <page-range>083525</page-range> (<year>2010</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.82.083525</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>21</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>B. von Harling</string-name> and <string-name>K. Petraki</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>12</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>033</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2014/12/033</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>22</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>K. Petraki</string-name>, <string-name>M. Postma</string-name>, and <string-name>M. Wiechers</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>06</issue> (<volume>2015</volume>) <page-range>128</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP06(2015)128</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>23</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>H. An</string-name>, <string-name>M. B. Wise</string-name>, and <string-name>Y. Zhang</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>93</volume>, <page-range>115020</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.93.115020</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>24</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>P. Asadi</string-name>, <string-name>M. Baumgart</string-name>, <string-name>P. J. Fitzpatrick</string-name>, <string-name>E. Krupczak</string-name>, and <string-name>T. R. Slatyer</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>005</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2017/02/005</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>25</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Johnson</string-name>, <string-name>E. Braaten</string-name>, and <string-name>H. Zhang</string-name></person-group>, <source>Proc. Sci.</source>, <issue>ICHEP2016</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>210</page-range> [<pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:1611.06212</pub-id>].</mixed-citation></ref><ref id="c26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>26</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Braaten</string-name>, <string-name>E. Johnson</string-name>, and <string-name>H. Zhang</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>11</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>108</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP11(2017)108</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>27</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Braaten</string-name>, <string-name>E. Johnson</string-name>, and <string-name>H. Zhang</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>062</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP05(2018)062</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>28</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Braaten</string-name>, <string-name>E. Johnson</string-name>, and <string-name>H. Zhang</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>150</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP02(2018)150</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>29</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Hryczuk</string-name>, <string-name>R. Iengo</string-name>, and <string-name>P. Ullio</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>03</issue> (<volume>2011</volume>) <page-range>069</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP03(2011)069</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>30</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Beneke</string-name>, <string-name>A. Bharucha</string-name>, <string-name>F. Dighera</string-name>, <string-name>C. Hellmann</string-name>, <string-name>A. Hryczuk</string-name>, <string-name>S. Recksiegel</string-name>, and <string-name>P. Ruiz-Femenia</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>03</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>119</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP03(2016)119</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>31</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Freitas</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>652</volume>, <page-range>280</page-range> (<year>2007</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.physletb.2007.07.019</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c32"><label>[32]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>32</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Hryczuk</string-name></person-group>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>699</volume>, <page-range>271</page-range> (<year>2011</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.physletb.2011.04.016</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c33"><label>[33]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>33</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>K. Harigaya</string-name>, <string-name>K. Kaneta</string-name>, and <string-name>S. Matsumoto</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>89</volume>, <page-range>115021</page-range> (<year>2014</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.89.115021</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c34"><label>[34]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>34</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Harz</string-name>, <string-name>B. Herrmann</string-name>, <string-name>M. Klasen</string-name>, <string-name>K. Kovarik</string-name>, and <string-name>M. Meinecke</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>91</volume>, <page-range>034012</page-range> (<year>2015</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.91.034012</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c35"><label>[35]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>35</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Beneke</string-name>, <string-name>C. Hellmann</string-name>, and <string-name>P. Ruiz-Femenia</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2015</volume>) <page-range>115</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP05(2015)115</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c36"><label>[36]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>36</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Ellis</string-name>, <string-name>J. L. Evans</string-name>, <string-name>F. Luo</string-name>, and <string-name>K. A. Olive</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>071</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP02(2016)071</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c37"><label>[37]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>37</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Kim</string-name> and <string-name>M. Laine</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>013</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2017/01/013</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c38"><label>[38]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>38</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. El Hedri</string-name>, <string-name>A. Kaminska</string-name>, and <string-name>M. de Vries</string-name></person-group>, <source>Eur. Phys. J. C</source> <volume>77</volume>, <page-range>622</page-range> (<year>2017</year>).<pub-id pub-id-type="coden">EPCFFB</pub-id><issn>1434-6044</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1140/epjc/s10052-017-5168-z</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c39"><label>[39]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>39</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. P. Liew</string-name> and <string-name>F. Luo</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>091</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP02(2017)091</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c40"><label>[40]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>40</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Mitridate</string-name>, <string-name>M. Redi</string-name>, <string-name>J. Smirnov</string-name>, and <string-name>A. Strumia</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>006</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2017/05/006</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c41"><label>[41]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>41</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Harz</string-name> and <string-name>K. Petraki</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>096</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP07(2018)096</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c42"><label>[42]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>42</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>K. Petraki</string-name>, <string-name>M. Postma</string-name>, and <string-name>J. de Vries</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>04</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>077</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP04(2017)077</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c43"><label>[43]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>43</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Harz</string-name> and <string-name>K. Petraki</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>97</volume>, <page-range>075041</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.97.075041</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c44"><label>[44]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>44</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Cirelli</string-name>, <string-name>A. Strumia</string-name>, and <string-name>M. Tamburini</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B787</volume>, <page-range>152</page-range> (<year>2007</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.nuclphysb.2007.07.023</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c45"><label>[45]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>45</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. March-Russell</string-name>, <string-name>S. M. West</string-name>, <string-name>D. Cumberbatch</string-name>, and <string-name>D. Hooper</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2008</volume>) <page-range>058</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1126-6708/2008/07/058</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c46"><label>[46]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>46</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Hisano</string-name>, <string-name>S. Matsumoto</string-name>, <string-name>M. M. Nojiri</string-name>, and <string-name>O. Saito</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>71</volume>, <page-range>063528</page-range> (<year>2005</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.71.063528</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c47"><label>[47]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>47</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Cirelli</string-name>, <string-name>R. Franceschini</string-name>, and <string-name>A. Strumia</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B800</volume>, <page-range>204</page-range> (<year>2008</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.nuclphysb.2008.03.013</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c48"><label>[48]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>48</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Cirelli</string-name>, <string-name>P. Panci</string-name>, <string-name>K. Petraki</string-name>, <string-name>F. Sala</string-name>, and <string-name>M. Taoso</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>036</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2017/05/036</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c49"><label>[49]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>49</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Fan</string-name> and <string-name>M. Reece</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>124</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2013)124</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c50"><label>[50]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>50</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>B. Bhattacherjee</string-name>, <string-name>M. Ibe</string-name>, <string-name>K. Ichikawa</string-name>, <string-name>S. Matsumoto</string-name>, and <string-name>K. Nishiyama</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>080</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP07(2014)080</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c51"><label>[51]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>51</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Ibe</string-name>, <string-name>S. Matsumoto</string-name>, <string-name>S. Shirai</string-name>, and <string-name>T. T. Yanagida</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>91</volume>, <page-range>111701</page-range> (<year>2015</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.91.111701</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c52"><label>[52]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>52</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Beneke</string-name>, <string-name>A. Bharucha</string-name>, <string-name>A. Hryczuk</string-name>, <string-name>S. Recksiegel</string-name>, and <string-name>P. Ruiz-Femenia</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>002</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP01(2017)002</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c53"><label>[53]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>53</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>C. F. Berger</string-name>, <string-name>L. Covi</string-name>, <string-name>S. Kraml</string-name>, and <string-name>F. Palorini</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2008</volume>) <page-range>005</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2008/10/005</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c54"><label>[54]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>54</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>K. Blum</string-name>, <string-name>R. Sato</string-name>, and <string-name>T. R. Slatyer</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>06</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>021</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2016/06/021</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c55"><label>[55]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>55</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Biondini</string-name> and <string-name>M. Laine</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>08</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>047</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP08(2017)047</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c56"><label>[56]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>56</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Biondini</string-name> and <string-name>M. Laine</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>04</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>072</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP04(2018)072</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c57"><label>[57]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>57</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Biondini</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>06</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>104</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP06(2018)104</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c58"><label>[58]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>58</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>I. Baldes</string-name>, <string-name>M. Cirelli</string-name>, <string-name>P. Panci</string-name>, <string-name>K. Petraki</string-name>, <string-name>F. Sala</string-name>, and <string-name>M. Taoso</string-name></person-group>, <source>SciPost Phys.</source> <volume>4</volume>, <page-range>041</page-range> (<year>2018</year>).<issn>2542-4653</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.21468/SciPostPhys.4.6.041</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c59"><label>[59]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>59</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>I. Baldes</string-name> and <string-name>K. Petraki</string-name></person-group>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>09</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>028</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2017/09/028</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c60"><label>[60]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>60</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Jungman</string-name>, <string-name>M. Kamionkowski</string-name>, and <string-name>K. Griest</string-name></person-group>, <source>Phys. Rep.</source> <volume>267</volume>, <page-range>195</page-range> (<year>1996</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRPLCM</pub-id><issn>0370-1573</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0370-1573(95)00058-5</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c61"><label>[61]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>61</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Servant</string-name> and <string-name>T. M. P. Tait</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B650</volume>, <page-range>391</page-range> (<year>2003</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/S0550-3213(02)01012-X</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c62"><label>[62]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>62</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. Covi</string-name>, <string-name>J. E. Kim</string-name>, and <string-name>L. Roszkowski</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>82</volume>, <page-range>4180</page-range> (<year>1999</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.82.4180</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c63"><label>[63]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>63</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. L. Feng</string-name>, <string-name>A. Rajaraman</string-name>, and <string-name>F. Takayama</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>91</volume>, <page-range>011302</page-range> (<year>2003</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.91.011302</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c64"><label>[64]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>64</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Y. Burnier</string-name>, <string-name>M. Laine</string-name>, and <string-name>M. Vepsalainen</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2008</volume>) <page-range>043</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1126-6708/2008/01/043</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c65"><label>[65]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>65</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Bodeker</string-name> and <string-name>M. Laine</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>037</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP01(2013)037</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c66"><label>[66]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>66</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Kim</string-name> and <string-name>M. Laine</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>143</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP07(2016)143</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c67"><label>[67]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>67</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Bodeker</string-name> and <string-name>M. Laine</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2012</volume>) <page-range>130</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP07(2012)130</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c68"><label>[68]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>68</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Stefanucci</string-name> and <string-name>R. van Leeuwen</string-name></person-group>, <source>Nonequilibrium Many-Body Theory of Quantum Systems: A Modern Introduction</source> (<publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>, Cambridge, England, <year>2013</year>).</mixed-citation></ref><ref id="c69"><label>[69]</label><mixed-citation id="c69a" publication-type="journal"><object-id>69a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Beneke</string-name>, <string-name>F. Dighera</string-name>, and <string-name>A. Hryczuk</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>045</page-range>; <pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2014)045</pub-id></mixed-citation><mixed-citation id="c69b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>69b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Beneke</string-name>, <string-name>F. Dighera</string-name>, and <string-name>A. Hryczuk</string-name></person-group><source>J. High Energy Phys.</source><issue>07</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>106(E)</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP07(2016)106</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c70"><label>[70]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>70</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. Brambilla</string-name>, <string-name>J. Ghiglieri</string-name>, <string-name>A. Vairo</string-name>, and <string-name>P. Petreczky</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>78</volume>, <page-range>014017</page-range> (<year>2008</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.78.014017</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c71"><label>[71]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>71</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>E. Braaten</string-name> and <string-name>R. D. Pisarski</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B337</volume>, <page-range>569</page-range> (<year>1990</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0550-3213(90)90508-B</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c72"><label>[72]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>72</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. L. Bellac</string-name></person-group>, <source>Thermal Field Theory</source>, <series>Cambridge Monographs on Mathematical Physics</series> (<publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name>, Cambridge, England, <year>2011</year>).</mixed-citation></ref><ref id="c73"><label>[73]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>73</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Laine</string-name>, <string-name>O. Philipsen</string-name>, <string-name>P. Romatschke</string-name>, and <string-name>M. Tassler</string-name></person-group>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>03</issue> (<volume>2007</volume>) <page-range>054</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1126-6708/2007/03/054</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c74"><label>[74]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>74</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Bornath</string-name>, <string-name>D. Kremp</string-name>, and <string-name>M. Schlanges</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. A</source> <volume>61</volume>, <page-range>032309</page-range> (<year>2000</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PLRAAN</pub-id><issn>1050-2947</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevA.61.032309</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c75"><label>[75]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>75</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Beraudo</string-name>, <string-name>J. P. Blaizot</string-name>, and <string-name>C. Ratti</string-name></person-group>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>A806</volume>, <page-range>312</page-range> (<year>2008</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.nuclphysa.2008.03.001</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c76"><label>[76]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>76</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. J. Strassler</string-name> and <string-name>M. E. Peskin</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>43</volume>, <page-range>1500</page-range> (<year>1991</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>0556-2821</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.43.1500</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c77"><label>[77]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>77</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>L. G. van den Aarssen</string-name>, <string-name>T. Bringmann</string-name>, and <string-name>Y. C. Goedecke</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>85</volume>, <page-range>123512</page-range> (<year>2012</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.85.123512</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c78"><label>[78]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>78</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Binder</string-name>, <string-name>T. Bringmann</string-name>, <string-name>M. Gustafsson</string-name>, and <string-name>A. Hryczuk</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>96</volume>, <page-range>115010</page-range> (<year>2017</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.96.115010</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c79"><label>[79]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>79</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Binder</string-name>, <string-name>M. Gustafsson</string-name>, <string-name>A. Kamada</string-name>, <string-name>S. M. R. Sandner</string-name>, and <string-name>M. Wiesner</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>97</volume>, <page-range>123004</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.97.123004</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c80"><label>[80]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>80</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>T. Bringmann</string-name>, <string-name>F. Kahlhoefer</string-name>, <string-name>K. Schmidt-Hoberg</string-name>, and <string-name>P. Walia</string-name></person-group>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>98</volume>, <page-range>023543</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.98.023543</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c81"><label>[81]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>81</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>W. Ebeling</string-name>, <string-name>V. E. Fortov</string-name>, and <string-name>V. Filinov</string-name></person-group>, <source>Quantum Statistics of Dense Gases and Nonideal Plasmas</source> (<publisher-name>Springer</publisher-name>, New York, <year>2017</year>).</mixed-citation></ref><ref id="c82"><label>[82]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>82</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>R. Oncala</string-name> and <string-name>K. Petraki</string-name></person-group>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:1808.04854</pub-id>.</mixed-citation></ref></ref-list></back></article>
