<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD with OASIS Tables with MathML3 v1.2 20190208//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.106.083517</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-major"><subject>ARTICLES</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-minor"><subject>Cosmology</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>New pathways to the relic abundance of vector-portal dark matter</article-title><alt-title alt-title-type="running-title">NEW PATHWAYS TO THE RELIC ABUNDANCE OF VECTOR- …</alt-title><alt-title alt-title-type="running-author">FITZPATRICK, LIU, SLATYER, AND TSAI</alt-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-2729-3267</contrib-id><name><surname>Fitzpatrick</surname><given-names>Patrick J.</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"><contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0003-2486-0681</contrib-id><name><surname>Liu</surname><given-names>Hongwan</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a2 a3"><sup>2,3</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n2"><sup>,†</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><name><surname>Slatyer</surname><given-names>Tracy R.</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1"><sup>1</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n3"><sup>,‡</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><name><surname>Tsai</surname><given-names>Yu-Dai</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a4 a5"><sup>4,5</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n4"><sup>,§</sup></xref></contrib><aff id="a1"><label><sup>1</sup></label>Center for Theoretical Physics, <institution>Massachusetts Institute of Technology</institution>, Cambridge, Massachusetts 02139, USA</aff><aff id="a2"><label><sup>2</sup></label>Center for Cosmology and Particle Physics, Department of Physics, <institution>New York University</institution>, New York, New York 10003, USA</aff><aff id="a3"><label><sup>3</sup></label>Department of Physics, <institution>Princeton University</institution>, Princeton, New Jersey 08544, USA</aff><aff id="a4"><label><sup>4</sup></label>Fermilab, <institution>Fermi National Accelerator Laboratory</institution>, Batavia, Illinois 60510, USA</aff><aff id="a5"><label><sup>5</sup></label>Department of Physics and Astronomy, <institution>University of California</institution>, Irvine, CA 92697-4575, USA</aff></contrib-group><author-notes><fn id="n1"><label><sup>*</sup></label><p><email>fitzppat@mit.edu</email></p></fn><fn id="n2"><label><sup>†</sup></label><p><email>hongwanl@princeton.edu</email></p></fn><fn id="n3"><label><sup>‡</sup></label><p><email>tslatyer@mit.edu</email></p></fn><fn id="n4"><label><sup>§</sup></label><p><email>ytsai@fnal.gov</email></p></fn></author-notes><pub-date iso-8601-date="2022-10-20" date-type="pub" publication-format="electronic"><day>20</day><month>October</month><year>2022</year></pub-date><pub-date iso-8601-date="2022-10-15" date-type="pub" publication-format="print"><day>15</day><month>October</month><year>2022</year></pub-date><volume>106</volume><issue>8</issue><elocation-id>083517</elocation-id><pub-history><event><date iso-8601-date="2021-01-12" date-type="received"><day>12</day><month>January</month><year>2021</year></date></event><event><date iso-8601-date="2022-07-26" date-type="accepted"><day>26</day><month>July</month><year>2022</year></date></event></pub-history><permissions><copyright-statement>Published by the American Physical Society</copyright-statement><copyright-year>2022</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>We fully explore the thermal freeze-out histories of a vector-portal dark matter model in the region of parameter space in which the ratio of masses of the dark photon <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and dark matter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this region, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> annihilation processes within the dark sector, as well as processes that transfer energy between the dark sector and the Standard Model, play important roles in controlling the thermal freeze-out of the dark matter. We carefully track the temperatures of all species, relaxing the assumption of previous studies that the dark and Standard Model sectors remain in thermal equilibrium throughout dark matter freeze-out. Our calculations reveal a rich set of novel pathways which lead to the observed relic density of dark matter, and we develop a simple analytic understanding of these different regimes. The viable parameter space in our model provides a target for future experiments searching for light (MeV–GeV) dark matter, and includes regions where the dark matter self-interaction cross section is large enough to affect the small-scale structure of galaxies.</p></abstract><funding-group><award-group award-type="grant"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>National Science Foundation</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100000001</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>1745302</award-id><award-id>PHY-1607611</award-id><award-id>PHY-1915005</award-id></award-group><award-group award-type="contract"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>U.S. Department of Energy</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100000015</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>DESC0007968</award-id></award-group><award-group award-type="contract"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>Office of Science</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100006132</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="contract"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>High Energy Physics</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100006208</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>DE-SC0012567</award-id></award-group><award-group award-type="grant"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>National Science Foundation</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100000001</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>PHY-1915409</award-id><award-id>NSF PHY-1748958</award-id></award-group><award-group award-type="contract"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>Fermilab</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100006230</institution-id></institution-wrap></funding-source><award-id>DE-AC02-07CH11359</award-id></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>Kavli Institute for Theoretical Physics, University of California, Santa Barbara</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100005956</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="US"><institution-wrap><institution>Aspen Center for Physics</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/100007739</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group></funding-group><counts><page-count count="36"/></counts></article-meta></front><body><sec id="s1"><label>I.</label><title>INTRODUCTION</title><p>The particle nature of dark matter (DM) remains a mystery, whose solution requires us to search beyond the Standard Model (SM). There are a great many suggestions for new physics particles that might solve the DM puzzle. One well-studied class of DM candidates is the weakly interacting massive particles (WIMPs). WIMPs are theoretically attractive because they naturally arise in various beyond-Standard-Model (BSM) theories of new weak-scale physics, and because the thermal production of WIMPs through their <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> annihilations to SM particles naturally leads to the correct DM relic abundance. However, with increasingly strong experimental constraints being placed on the WIMP scenario, we are also motivated to consider alternative scenarios where other interactions control the final DM abundance.</p><p>There has been considerable recent interest in exploring thermal relic scenarios that naturally produce DM at light (sub-GeV) masses (see, for example, Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c1">[1]</xref>), as existing direct-detection constraints are much less sensitive to sub-GeV mass DM (e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c2 c3 c4 c5">[2–5]</xref>). Existing beam dump experiments are sensitive to sub-GeV DM but leave much of the parameter space unconstrained <xref ref-type="bibr" rid="c6 c7 c8 c9 c10 c11 c12 c13 c14 c15">[6–15]</xref>. New accelerator and direct-detection experiments will soon explore the parameter space of light DM with unprecedented sensitivity (see Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c1">[1]</xref> and references therein); consequently, it is important to understand the landscape of models which naturally populate this sub-GeV region.</p><p>Previous studies have identified a mechanism for thermally producing sub-GeV DM in which strong <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> self-annihilations among DM particles control the thermal relic abundance. This strongly-interacting-massive-particle (SIMP) scenario naturally leads to strongly coupled DM (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>) with mass similar to the QCD scale (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mi>–</mml:mi><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) <xref ref-type="bibr" rid="c16">[16]</xref>. The natural emergence of the strong scale in the thermal SIMP scenario makes it a particularly attractive framework. In this scenario, the DM and SM sectors remain in thermal equilibrium throughout freeze-out via elastic scattering between DM and SM particles.</p><p>An alternative thermal production mechanism for light DM arises when this condition is relaxed; in the elastically decoupling relic (ELDER) scenario, the DM and SM sectors thermally decouple through the elastic DM-SM scattering while strong <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> self-annihilations are still active <xref ref-type="bibr" rid="c17 c18">[17,18]</xref>. In the ELDER scenario, although thermal freeze-out proceeds through the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> DM self-annihilations, the DM relic abundance is nevertheless determined by the decoupling of DM-SM elastic scattering. This is achieved through a dark-sector process called “cannibalization” <xref ref-type="bibr" rid="c19">[19]</xref>, which occurs immediately after elastic decoupling and proceeds until <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. During cannibalization, while the DM and SM sectors are thermally secluded, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> DM self-annihilations convert mass to kinetic energy and heat the dark sector. As a result, the dark-sector temperature evolves slowly (logarithmically as a function of SM temperature) during cannibalization, and likewise, the DM abundance evolves slowly. This leads to a DM relic abundance that is primarily determined by its value at kinetic decoupling. The ELDER scenario also naturally leads to MeV–GeV mass DM.</p><p>Distinctive thermal production mechanisms for light DM have also been realized in the well-studied vector-portal DM model of a Dirac fermion DM particle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> charged under a hidden U(1) gauge symmetry with dark gauge boson <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which is coupled to the SM photon through kinetic mixing <xref ref-type="bibr" rid="c20">[20]</xref>.<fn id="fn1"><label><sup>1</sup></label><p>The case of a dark Higgs boson breaking the U(1) gauge symmetry and also comprising DM has been considered in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>.</p></fn> In the region of parameter space in which the dark photon is more massive than the DM (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>), the kinematically suppressed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> annihilations of DM to heavier <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) can control the relic abundance. In this “forbidden DM” (FDM) mechanism <xref ref-type="bibr" rid="c22 c23">[22,23]</xref>, the exponential suppression of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process setting the relic abundance of DM naturally gives rise to DM exponentially lighter than the weak scale. The FDM mechanism was shown to be a viable mechanism for producing sub-GeV DM.</p><p>More recently, Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c24">[24]</xref> showed that in the region of parameter space of the dark photon model in which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the kinematic suppression of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> annihilation process is compensated for by a kinematically allowed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) annihilation channel, which can then play a dominant role in setting the thermal relic abundance of DM. This “not-forbidden dark matter” (NFDM) scenario is analogous to the thermal SIMP scenario in that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes can determine the DM relic abundance realized in the simple and well-studied vector-portal DM model. The NFDM scenario was also demonstrated to be a viable mechanism for naturally producing sub-GeV DM. In both the FDM and NFDM scenarios, the DM and SM sectors were assumed to remain thermally coupled throughout the freeze-out of DM.</p><p>In this paper, we extend both of these frameworks to consider cases in which the DM and SM sectors are allowed to kinetically decouple during thermal freeze-out of the DM. We fully explore the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> region of parameter space of the dark photon model, in which the kinematically suppressed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) channel and the kinematically allowed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) channel play important roles in controlling thermal freeze-out, and relax the condition that kinetic equilibrium is maintained between the two sectors throughout the freeze-out process. We find a rich set of novel cosmological histories leading to a range of different mechanisms for obtaining the correct DM relic density. Among these, we identify a general class of mechanisms in which the DM relic abundance is determined by processes controlling the kinetic decoupling of the DM and SM sectors (which we call the kinetically decoupling relic, KINDER). This KINDER scenario in the dark photon model generalizes the ELDER scenario to cases in which multiple processes control the thermal coupling between dark and SM sectors, and in which a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> annihilation process among multiple dark-sector species supports heating of the dark sector.</p><p>The outline of our paper is as follows. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s2">II</xref>, we describe the dark photon model in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> region we consider, including the primary interactions controlling chemical equilibrium in the dark sector, and those between the dark sector and SM particles. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3">III</xref>, we discuss general features of dark-sector freeze-out in our model, including the relevant interaction processes, the Boltzmann equations, which describe the thermodynamic evolution of the system, and the freeze-out conditions of relevant processes. In this section, we also classify three thermodynamic phases (A, B, and C), which generally describe the various stages of the thermal histories realized in our model.</p><p>In Secs. <xref ref-type="sec" rid="s4">IV</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref>, we characterize the thermal freeze-out histories for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, respectively. In each case, we identify a rich set of freeze-out histories and analytically determine the parameter space regions where they occur. These different histories are naturally classified into specific regions in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>–</mml:mi><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> plane, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> describes the mixing between the dark photon and the SM photon, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the dark-sector coupling. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4">IV</xref>, we study the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> region of our model, where the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out before the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process; the possible histories can be classified into the WIMP, NFDM, and KINDER regimes. In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5">V</xref>, we examine the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> region of our model, where the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out prior to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process and find four distinct regimes in addition to the WIMP regime (regimes I–IV). In Sec. <xref ref-type="sec" rid="s6">VI</xref>, we discuss the relevant experimental and cosmological constraints; finally, in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s7">VII</xref> we summarize our conclusions.</p><p>Throughout this paper, we make use of Planck 2018 cosmological parameters <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref> using the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>TT</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>TE</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>EE</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>lowE</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>lensing</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> results; we take the DM abundance to be the central value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.6736</mml:mn></mml:math></inline-formula>. All quantities are expressed in natural units with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ℏ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Finally, we use many different symbols for approximations in this paper and have attempted to keep them consistent with the following definitions: (i) We use “<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≃</mml:mo></mml:math></inline-formula>” when the approximation is a physical limit, e.g., a nonrelativistic limit; (ii) we use “<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula>” for statements that are true within an order of magnitude, but which we will take to be an equality for the purpose of analytic results; (iii) finally, we use “<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula>” for statements that are true within an order of magnitude, but we do not use the fact either analytically or numerically.</p></sec><sec id="s2"><label>II.</label><title>MODEL</title><p>In the mass basis, the Lagrangian of the dark photon model we consider is <disp-formula id="d1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d1a1">⊃</mml:mo><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>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>ν</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:menclose><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ε</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EM</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(1)</label></disp-formula>where the gauge coupling is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mi>D</mml:mi></mml:menclose><mml:mo>≡</mml:mo><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mo>∂</mml:mo></mml:menclose><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mi>A</mml:mi></mml:menclose><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The dark photon <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> kinetically mixes with the SM photon, giving rise to a small coupling between the dark photon and the SM electromagnetic current <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>EM</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> set by the kinetic mixing parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> can naturally range from as small as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> up to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c26">[26]</xref>. The hidden U(1) symmetry can be spontaneously broken through a Higgs-like mechanism with the dark Higgs boson taken to be heavy enough to be excluded from this low-energy effective description, since we will always be considering energies <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The kinetic mixing generates the tree-level interactions between dark and SM particles shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref>: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f1"><object-id>1</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f1</object-id><label>FIG. 1.</label><caption><p>Tree-level interactions between dark sector and SM particles including (left) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> elastic scattering, (center) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> decay, and (right) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> annihilation into SM fermions.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_1.eps"/></fig><p>We are primarily interested in scenarios in which the dominant DM-number-changing interactions are the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) process and the kinematically suppressed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) process shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>. This restricts us to the region of parameter space in which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f2"><object-id>2</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f2</object-id><label>FIG. 2.</label><caption><p>The dark-sector-only (left) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) process and (right) the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) process.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_2.eps"/></fig><p>At lower values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the dominant process controlling thermal freeze-out is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (which is then kinematically allowed), and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> decays promptly to SM particles. This regime is strongly ruled out by cosmic microwave background (CMB) constraints on the annihilation cross section of DM into SM particles for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c27">[27]</xref>.</p><p>At higher values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel annihilation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> via an off-shell <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> dominates the DM-number-changing interactions: the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> process is very kinematically suppressed, and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> process reduces to a scattering process among the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s as the final-state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> promptly decays back to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Dark sector freeze-out proceeds via the classic WIMP freeze-out scenario, which also runs into stringent CMB constraints on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave annihilation of Dirac fermion dark matter below 10 GeV <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref>.</p><p>In the intermediate (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) region of interest to us, which of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes dominates during thermal freeze-out depends on the ratio <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process receives a kinematic suppression from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles annihilating into heavier <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> particles (with an exponential factor of the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>), while the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> receives a Boltzmann suppression from an extra factor of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density in the initial state (with an exponential factor of the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>). In the lower half of the range in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> we consider (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>), the Boltzmann suppression is more severe for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, and therefore, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process dominates during thermal freeze-out. In this regime, and for the case in which the DM and SM sectors remain thermally coupled throughout thermal freeze-out, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process determines the relic abundance; this is the FDM scenario described in the Introduction.</p><p>In the upper half of the range in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> we consider (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>), in contrast, the large kinematic suppression of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process renders it subdominant to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process at freeze-out. In this regime, and for the case in which the DM and SM sectors remain thermally coupled throughout thermal freeze-out, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process determines the thermal relic abundance; this is the NFDM scenario described in the Introduction.</p></sec><sec id="s3"><label>III.</label><title>DARK-SECTOR FREEZE-OUT</title><p>Before we detail all of the different regimes in which the dark sector can evolve to obtain the final DM relic density, we will begin by discussing some general features of the dark-sector freeze-out in this model. By “dark-sector freeze-out,” we mean the cosmological evolution from the initial state, when both sectors are in thermal equilibrium, to the point where the DM has attained its final comoving relic abundance.</p><sec id="s3a"><label>A.</label><title>Thermodynamic variables</title><p>Throughout freeze-out for the parameter space we consider, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> remain in thermal equilibrium with each other through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>–</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> scattering. The dark sector can therefore be described by a single dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>.<fn id="fn2"><label><sup>2</sup></label><p>A common temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is a good assumption, while the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> scattering rate is much larger than Hubble. This scattering rate is also parametrically larger than the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> rate. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> corrections may be possible if the full phase space is tracked carefully <xref ref-type="bibr" rid="c28">[28]</xref>, which could be an interesting direction for further study.</p></fn> The general expressions for the number densities of the particles in the nonrelativistic limit are <disp-formula id="d2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2a1">≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d2a1">≃</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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>/</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>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></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:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo><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:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(2)</label></disp-formula><disp-formula id="d3"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3a1">≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d3a1">≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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>/</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>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></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:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo><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:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(3)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> are the numbers of degrees of freedom associated with each particle. The factor of 2 in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d2">(2)</xref> accounts for the fact that we are including both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> in the definition of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We have also included effective chemical potentials <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> which are in general nonzero; we denote the number densities of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> with zero chemical potential as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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>, respectively. We will also frequently use the inverse dimensionless temperatures <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p><p>The energy densities and pressures of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> are related to their number densities by <disp-formula id="d4"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(4)</label></disp-formula>and <disp-formula id="d5"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(5)</label></disp-formula>where the Maxwell-Boltzmann distributions with zero chemical potential for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given by <disp-formula id="d6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6a1">≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d6a1">≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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: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:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6)</label></disp-formula>Similar relations hold for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The entropy of the dark sector is conserved when no heat is transferred between the dark sector and the SM through processes that involve both dark sector and SM particles. The entropy density of the dark sector is <disp-formula id="d7"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(7)</label></disp-formula>Entropy conservation of the dark sector in the limit where heat transfer processes are inefficient is a useful fact that we will use extensively in obtaining an analytic understanding of our results. When the dark-sector entropy is conserved, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the expansion scale factor.</p><p>Since we will be discussing the time evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> frequently in the context of analytic estimates, we will derive here several expressions related to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> that will be useful throughout the paper. First, taking the time derivative of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> gives <disp-formula id="d8"><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(8)</label></disp-formula>where we have used <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We will often make the approximation that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> during freeze-out, and so the term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> can often be neglected, unless <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Similarly, <disp-formula id="d9"><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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(9)</label></disp-formula></p><p>We will often be interested in comparing the final number density of the dark matter after the dark sector completely freezes out to the number density required to achieve the relic abundance of dark matter today. Defining <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>SM</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>SM</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the entropy density of the SM sector after the dark sector has completely decoupled, the correct relic abundance is obtained when <xref ref-type="bibr" rid="c29">[29]</xref> <disp-formula id="d10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</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>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4.32</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(10)</label></disp-formula></p></sec><sec id="s3b"><label>B.</label><title>Relevant processes</title><p>In the conventional WIMP regime, DM freezes out through the process <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a SM fermion. Once the mixing parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>–</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, however, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> freezes out while other dark-sector processes are still active, and these processes play a significant role in the freeze-out of the dark sector <xref ref-type="bibr" rid="c30 c31">[30,31]</xref>.</p><p>Outside the WIMP regime, there are four main processes that play important roles during the freeze-out of the dark sector when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>: <list list-type="order"><list-item><label>(1)</label><p>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> dark-sector process, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. This process was shown in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c30">[30]</xref> to be responsible for the freeze-out of the dark sector for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, under the assumption that the dark sector was in full thermal equilibrium with the SM. As we described in the Introduction, this process is kinematically forbidden for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> for stationary <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles, leading to a velocity-averaged annihilation cross section that is exponentially suppressed as a function of the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Explicitly, the annihilation cross section is given by <xref ref-type="bibr" rid="c30">[30]</xref> <disp-formula id="d11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d11a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d11a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></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:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(11)</label></disp-formula>We provide the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Appendix <xref ref-type="app" rid="app1">A</xref>; to make our analytic estimates more convenient, however, we parametrize this annihilation cross section as follows: <disp-formula id="d12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mfrac><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(12)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> that captures the nontrivial <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> dependence. Typical values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are shown in Table <xref ref-type="table" rid="t1">I</xref>.</p><p>As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases, the rate of the forward process becomes exponentially more suppressed as the mass difference between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> increases. Note that in the forward direction, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> removes kinetic energy from the dark sector; the rate of the forward reaction also becomes exponentially suppressed as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> decreases, since less kinetic energy is available to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles for conversion into the rest mass of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> particles.</p></list-item><list-item><label>(2)</label><p>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> dark-sector process, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the freeze-out of the dark sector is mainly controlled by this process, as examined in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c31">[31]</xref>, once again under the assumption of a dark sector in thermal equilibrium with the SM. The forward process is a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, with velocity-averaged annihilation cross section given by <disp-formula id="d13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(13)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> encodes the nontrivial <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> dependence of the cross section; once again, the full expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is given in Appendix <xref ref-type="app" rid="app1">A</xref>. For ease of notation, we will drop the subscript on the thermally averaged cross section from here on, unless it is needed to avoid ambiguity. Typical values for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> across the range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> considered in this paper are shown in Table <xref ref-type="table" rid="t1">I</xref>. Note that the forward reaction converts rest mass to kinetic energy, and heats the dark sector, similar to other <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes found in cannibal dark matter models <xref ref-type="bibr" rid="c17 c18 c32 c33 c34">[17,18,32–34]</xref>.</p></list-item><list-item><label>(3)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. The dark photon kinetically mixes with the SM photon and can decay into a pair of SM fermions. This process is an important number-changing process for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> particles, and is one of two important processes responsible for transferring energy between the two sectors. The decay width <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is given in full in Appendix <xref ref-type="app" rid="app1">A</xref>.</p></list-item><list-item><label>(4)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This elastic scattering process and all possible processes related by conjugation allows <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> to directly transfer energy to or from the SM. This process as well as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> together determine how efficiently energy gets transferred between the two sectors. Once both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> become sufficiently inefficient, the dark sector and the SM can lose thermal contact and kinetically decouple, falling out of thermal equilibrium.</p></list-item></list></p><table-wrap id="t1" specific-use="style-1col"><object-id>I</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.t1</object-id><label>TABLE I.</label><caption><p>List of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> values, as defined in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d12">(12)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d13">(13)</xref>, evaluated at typical <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> values of interest in this paper.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="8"><oasis:colspec align="left" colname="col1" colsep="0" colwidth="13%"/><oasis:colspec align="center" colname="col2" colsep="0" colwidth="13%"/><oasis:colspec align="center" colname="col3" colsep="0" colwidth="13%"/><oasis:colspec align="center" colname="col4" colsep="0" colwidth="13%"/><oasis:colspec align="center" colname="col5" colsep="0" colwidth="13%"/><oasis:colspec align="center" colname="col6" colsep="0" colwidth="15%"/><oasis:colspec align="center" colname="col7" colsep="0" colwidth="15%"/><oasis:colspec align="center" colname="col8" colsep="0" colwidth="14%"/><oasis:thead><oasis:row><oasis:entry valign="top"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry><oasis:entry valign="top">1.2</oasis:entry><oasis:entry valign="top">1.3</oasis:entry><oasis:entry valign="top">1.4</oasis:entry><oasis:entry valign="top">1.5</oasis:entry><oasis:entry valign="top">1.6</oasis:entry><oasis:entry valign="top">1.7</oasis:entry><oasis:entry valign="top">1.8</oasis:entry></oasis:row></oasis:thead><oasis:tbody><oasis:row rowsep="0"><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></oasis:entry><oasis:entry>9.47</oasis:entry><oasis:entry>14.1</oasis:entry><oasis:entry>23.7</oasis:entry><oasis:entry>45.9</oasis:entry><oasis:entry>105.7</oasis:entry><oasis:entry>312.9</oasis:entry><oasis:entry>1427</oasis:entry></oasis:row><oasis:row rowsep="0"><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></oasis:entry><oasis:entry>4.44</oasis:entry><oasis:entry>5.49</oasis:entry><oasis:entry>5.90</oasis:entry><oasis:entry>5.94</oasis:entry><oasis:entry>5.77</oasis:entry><oasis:entry>5.50</oasis:entry><oasis:entry>5.19</oasis:entry></oasis:row></oasis:tbody></oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap><p>There are additional <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> dark-sector-only processes that we do not consider, such as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. Since we are only considering <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, these <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes have rates that are parametrically suppressed by at least one power of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></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> compared to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> times at least one power of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></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> compared to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. These slower processes are therefore relatively unimportant compared to the much faster <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes shown here.</p><p>We also neglect the processes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>: these processes are suppressed by an additional factor of the electromagnetic fine structure constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>EM</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> relative to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and are also Boltzmann suppressed by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> relative to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Consequently, they never control when thermal decoupling between the two sectors occurs. They also do not play any important role based on the analytic understanding that we will develop below; they may only appear as terms proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in the Boltzmann equations, and can therefore be treated as small corrections to the energy transfer rate arising from decays.</p></sec><sec id="s3c"><label>C.</label><title>Boltzmann equations</title><p>The evolution of the system is governed by the coupled Boltzmann equations for the number densities of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively, along with their energy densities <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> and pressures <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d14"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d14a1">=</mml:mo><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:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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: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:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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: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:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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: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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><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 stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></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:mi>χ</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>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</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>(14)</label></disp-formula><disp-formula id="d15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d15a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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: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:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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: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:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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: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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</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>(15)</label></disp-formula>and <disp-formula id="d16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d16a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></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:mi>χ</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>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</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>(16)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the number density of charged SM particles, which for simplicity we assume to consist only of electrons and positrons. This assumption is justified because we are considering sub-GeV dark matter and dark photons, so thermal equilibrium between the SM and dark sector typically holds down to temperatures of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, at which point all other SM particles have annihilated or decayed away. Note that all dark-sector (SM) variables are evaluated at the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>) unless otherwise stated. The prefactors for each term account for our convention of including both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and for initial state symmetry factors. Our convention, as well as the derivation of the dark-sector annihilation cross sections, can be found in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c31">[31]</xref>. We take the limit of nonrelativistic <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> energy transfer rates. Details on the energy transfer rate for elastic scattering <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> can be found in Appendix <xref ref-type="app" rid="app2">B</xref>; in particular, we highlight the fact that we have calculated <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> analytically without assuming that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is relativistic, which is to our knowledge a new result. This result is important when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>MeV</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="d14">(14)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref> contain three unknowns: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and can be solved numerically for the coupled evolution of these variables as a function of the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The numerical solution of these equations is used for all of the results throughout the paper.</p><p>We will also rely significantly on analytic approximations to gain some intuition for these results. To this end, it is useful to write the Boltzmann equation for energy density, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref>, in the nonrelativistic limit. Expanding the energy densities to first order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which is a small parameter once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we find <disp-formula id="d17"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d17a1">≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d17a1">≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><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>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(17)</label></disp-formula>and similarly for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We have also made the approximation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>. With these expansions, we obtain <disp-formula id="d18"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><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>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><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>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d18a1">≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</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>(18)</label></disp-formula>We have neglected DM annihilation into SM fermions in this analytic estimate for simplicity, since this process is typically not important in the regions of parameter space we will be interested in. We also find numerically that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in all scenarios, and thus can be neglected in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d18">(18)</xref>. The simplified Boltzmann energy density equation to leading order then reads <disp-formula id="d19"><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>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(19)</label></disp-formula>Comparing this with the Boltzmann equation for the sum of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> number density [from Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d14">(14)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref>], which is given by <disp-formula id="d20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><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>χ</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>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:mrow></mml:math><label>(20)</label></disp-formula>we finally obtain the following compact expression for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density evolution: <disp-formula id="d21"><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>χ</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d21a1">≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(21)</label></disp-formula>Comparing this expression with the number density Boltzmann equation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we find <disp-formula id="d22"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d22a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(22)</label></disp-formula>With this relation, we can also reformulate the number density Boltzmann equation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> as <disp-formula id="d23"><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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d23a1">≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</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>(23)</label></disp-formula>These equations show that in the nonrelativistic limit, the Boltzmann equations establish certain relations between the rates of the various processes determined ultimately by number and energy conservation. These equations will prove to be extremely useful for gaining analytic understanding of our numerical results.</p></sec><sec id="s3d"><label>D.</label><title>Fast reactions and freeze-out</title><p>To gain an understanding of the freeze-out behavior of our dark sector, it is useful to understand when processes are occurring at rates fast enough to influence the freeze-out process and when they cease to be important. For temperatures <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the rates of all of the process are generally fast; i.e., the rates of all processes in one direction are all much larger than the Hubble rate. For example, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process is considered fast when <disp-formula id="d24"><mml:math display="block"><mml:mrow><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>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(24)</label></disp-formula>While a process is fast, the corresponding terms in square brackets in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d14">(14)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref> will generically be small, e.g., for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, <disp-formula id="d25"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>fast</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(25)</label></disp-formula>such that <disp-formula id="d26"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>fast</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(26)</label></disp-formula>otherwise, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process can change the number densities of both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> within a time much faster than the Hubble time, until Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d26">(26)</xref> is satisfied.</p><p>Similarly, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process is fast when<disp-formula id="d27"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(27)</label></disp-formula>with <disp-formula id="d28"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>fast</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(28)</label></disp-formula>such that <disp-formula id="d29"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>fast</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(29)</label></disp-formula>Once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the number densities of both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> are Boltzmann suppressed and rapidly decrease. At some point, the forward rates of these processes become comparable to the Hubble rate, and the process freezes out. For the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, this happens when <disp-formula id="d30"><mml:math display="block"><mml:mrow><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>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>freeze</mml:mi><mml:mtext>-</mml:mtext><mml:mi>out</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(30)</label></disp-formula>and for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, <disp-formula id="d31"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>freeze</mml:mi><mml:mtext>-</mml:mtext><mml:mi>out</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(31)</label></disp-formula>Similar results hold for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, just like in the conventional WIMP scenario.</p><p>The approximate relations found in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d25">(25)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d28">(28)</xref> when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes are fast can be rewritten in terms of the effective chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> as <disp-formula id="d32"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>fast</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(32)</label></disp-formula>and <disp-formula id="d33"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>fast</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(33)</label></disp-formula>respectively. Note that when both processes are fast, these relations together enforce <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>For processes that are responsible for transferring heat between the SM and dark sector, the criterion for when these processes are “fast” depends on how much heat is generated/removed due to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes described above. Since the energy density of the dark sector for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is dominated by the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the rate of change of dark-sector energy density per dark-sector particle is given approximately by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>; processes are considered fast if they can transfer heat between the sectors at a comparable rate.</p><p>As discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3b">III B</xref>, the two most important processes transferring energy between the two sectors are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Let us first focus on the process <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. In scenarios where both the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes are fast, the number densities of the dark-sector particles are given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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>. When <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is generally fast enough to maintain thermal equilibrium between the two sectors, so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. However, once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> drops rapidly, and the number densities of the dark sector <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> evolve to a point where <disp-formula id="d34"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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>χ</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>χ</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>(34)</label></disp-formula>After this point, the term on the left-hand side starts to become small relative to the right-hand side, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> becomes ineffective at maintaining both sectors in thermal equilibrium. Similarly, the dark-sector number densities can evolve to a point where <disp-formula id="d35"><mml:math display="block"><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:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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>χ</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>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><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:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(35)</label></disp-formula>after which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is too slow to maintain thermal equilibrium. Once both Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d34">(34)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d35">(35)</xref> have been met, kinetic decoupling occurs, and the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> starts to diverge from the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Keep in mind that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><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>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>; the comparison made in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d35">(35)</xref> is therefore between the heat transfer rate when <inline-formula><mml:math display="inline"><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>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and the energy lost due to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> decreasing.</p><p>We are now ready to understand the broad features of the thermodynamic evolution of the dark sector. There are three thermodynamic phases that the dark sector in our model may go through. <list list-type="order"><list-item><label>(1)</label><p>Thermodynamic phase A: dark sector in thermal equilibrium with the SM. Interactions between the dark sector and the SM allow the two sectors to exchange heat. If these interactions are sufficiently fast, the dark sector stays in thermal equilibrium with the SM with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the number densities of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> are simply given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(2)</label><p>Thermodynamic phase B: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> with zero chemical potential. Once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> become too slow, the dark sector kinetically decouples and develops a temperature different from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> dark-sector processes can inject or remove heat from the dark sector. While both processes are fast, Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d33">(33)</xref> enforce <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(3)</label><p>Thermodynamic phase C: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with nonzero chemical potential. If either the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> or the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out after the SM dark-sector processes become slow, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> develop a chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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>, respectively, according to either Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="d33">(33)</xref>.</p></list-item></list>In some parts of parameter space in the models we study, the dark sector goes through all three phases sequentially; in other parts of parameter space, a nonzero chemical potential develops once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> starts diverging from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, leading to a direct transition from phase A to C without spending any significant time in phase B.</p><p>Previous studies investigating this model <xref ref-type="bibr" rid="c30 c31">[30,31]</xref> have assumed that the dark sector only stays in thermodynamic phase A, with Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c30">[30]</xref> making the further assumption that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> throughout in their thermally coupled model. However, we shall see that for values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> as large as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the dark sector does not stay in thermodynamic phase A throughout the process of freeze-out, changing the dependence of the relic abundance on the model parameters drastically.</p><p>Throughout this paper, we will mostly be interested in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> values that are small, of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> or smaller. However, if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is too small, the dark sector and the SM sector need not have been in thermal contact at any point, calling into question the basic assumption we make that the two sectors start out in thermal equilibrium. To obtain an estimate for the minimum value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> above which we are guaranteed to have the dark sectors in thermal equilibrium at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we follow Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c35">[35]</xref> and set this minimum value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> to be when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> rate exceeds the Hubble rate at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>. When this condition is met, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> particles can be produced at a rate much faster than Hubble at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, allowing the whole dark sector to come into chemical equilibrium with the SM prior to the onset of the Boltzmann suppression from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> going nonrelativistic. This condition can be written as <xref ref-type="bibr" rid="c35">[35]</xref> <disp-formula id="d36"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>pl</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(36)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ζ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the Riemann zeta function, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>pl</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the Planck mass. Using the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> in Appendix <xref ref-type="app" rid="app1">A</xref> and setting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we obtain the following estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the minimum value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> at which thermal equilibrium is guaranteed by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d37"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(37)</label></disp-formula>In practice, experimental constraints will limit us to values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>; we can therefore safely assume the dark sector to be thermally coupled to the SM at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> throughout this paper.</p></sec></sec><sec id="s4"><label>IV.</label><title><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title><p>We begin our discussion of the freeze-out of the vector-portal dark matter model with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For these values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out before the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process. Under the assumption that the dark sector stays in thermodynamic phase A with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, this regime, which we call the classic NFDM regime, was studied in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c31">[31]</xref>, and was found to be a viable model for sub-GeV dark matter with appreciable self-interaction rates and thus the potential to affect the small-scale structure of galaxies. Here, we explore <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> including the temperature evolution of the dark sector.</p><sec id="s4a"><label>A.</label><title>Classic not-forbidden regime</title><p>For sufficiently small values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process eventually freezes out later than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>—the process that controls conventional WIMP freeze-out—and starts to become the main process that controls the final abundance of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This transition occurs when <disp-formula id="d38"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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 stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(38)</label></disp-formula>i.e., when both processes freeze out at roughly the same time. Using the analytic expressions for the quantities above, we obtain an estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> that sets the boundary between the classic NFDM regime and the WIMP regime: <disp-formula id="d39"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d39a1">∼</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</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:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105.7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(39)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the temperature at which freeze-out of either of these two processes occur. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the effective number of relativistic degrees of freedom that enters into the Hubble parameter, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.66</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>pl</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Further requiring that the final relic abundance of DM is equal to the observed one today gives a relation between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In the WIMP regime, where freeze-out is controlled by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, the correct relic abundance is obtained when Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref> is satisfied. This allows us to predict <disp-formula id="d40"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d40a1">∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</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:mo stretchy="false">)</mml:mo><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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105.7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math><label>(40)</label></disp-formula>as the boundary between the conventional WIMP-like regime and the classic NFDM regime when the correct relic abundance is achieved.</p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process determines the abundance of DM, and the parameters that generate the correct relic abundance become virtually independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, provided that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large enough that the system remains in thermodynamic phase A (i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>) throughout freeze-out.</p></sec><sec id="s4b"><label>B.</label><title>KINDER regime</title><p>As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> decreases further, processes that exchange energy between the dark and SM sectors become gradually less efficient; eventually, thermal equilibrium between the two sectors is lost even prior to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. This scenario, which we call the KINDER regime, is starkly different from the classic NFDM regime explained above. Notably, the abundance of DM after freeze-out is governed primarily by when kinetic decoupling occurs and therefore depends on both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. With thermal equilibrium between the two sectors lost prior to the freeze-out of dark-sector processes, the dark sector now goes through the different thermodynamic phases described in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref>.</p><sec id="s4b1"><label>1.</label><title>General features</title><p>In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>, we show the abundances of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, as well as the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> for our benchmark parameter values in the KINDER regime: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For ease of presentation, we plot the abundance as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref>. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, we show the number density and energy density rates for the relevant dark-sector processes; explicitly, these are the terms for each process that appear on the right-hand side of Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d14">(14)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref> divided by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for number density rates, and the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref> divided by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for energy density rates. At this parameter point (which is representative of the KINDER regime), the dark-sector freeze-out proceeds through the following stages: <list list-type="order"><list-item><label>(1)</label><p>Kinetic decoupling, transition from thermodynamic phase A to B. While either <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> occur at rates larger than or comparable to the kinetic energy production rate of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> [i.e., the left-hand side of Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d34">(34)</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="d35">(35)</xref> are large compared to the rhs], kinetic equilibrium between the dark sector and SM particles is maintained at a common temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><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>. Once this is no longer true, i.e., after both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> become slow, kinetic decoupling occurs, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> begins to diverge from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For our benchmark parameter values, kinetic decoupling occurs when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> becomes slow, as shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>.</p></list-item><list-item><label>(2)</label><p>Cannibalization in thermodynamic phase B. After this point, both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes remain fast, and the dark sector enters thermodynamic phase B, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, since both processes are fast. The net effect of the dark-sector processes is to convert mass to kinetic energy in the dark sector so as to deplete <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and because this happens after the dark sector has kinetically decoupled from the SM, the dark sector heats up. This shares many similarities with dark matter models with a cannibal phase <xref ref-type="bibr" rid="c17 c18 c32 c33 c34">[17,18,32–34]</xref>, but with two different species involved in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process sustaining cannibalization instead of one. Like other cannibal DM models, the dark-sector particles have zero chemical potential, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> evolves in an approximately logarithmic manner with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> evolving slowly. Unlike previous models, however, the entropy of the dark sector is not quite conserved with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> decays remaining relatively efficient at depositing heat from the dark sector to the SM, but not fast enough to ensure equal temperatures; we will discuss this point in more detail below.</p></list-item><list-item><label>(3)</label><p>Freeze-out of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, continued cannibalization. After this point, the dark sector enters thermodynamic phase C with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, since the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process continues to be fast. Both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> develop a nonzero chemical potential in thermodynamic phase C, and the logarithmic evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and slow evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> continues until the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out. This is an extension of the conventional cannibal dark matter scenario that we will investigate in greater detail below.</p></list-item><list-item><label>(4)</label><p>Freeze-out of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process. Finally, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate falls below the Hubble rate. With no other active number-changing processes, the dark matter number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> evolves proportionally to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p></list-item></list></p><fig id="f3"><object-id>3</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f3</object-id><label>FIG. 3.</label><caption><p>Dark-sector evolution in the KINDER regime for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> with parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In all three plots, thermodynamic phases A, B, and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue, yellow, and pink, respectively. Top left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance (given as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue line), with the zero chemical potential abundance at the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (green dashed line) and the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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> (red dashed line) shown for reference. The observed DM abundance is indicated by the horizontal black dashed line, as defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref>. Top right: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> abundance (given as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>) as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue line), with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (green dashed line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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> (red dashed line) once again given for reference. Bottom: the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line) as a function of the SM temperature (red dashed line).</p></caption><graphic xlink:href="e083517_3.eps"/></fig><fig id="f4"><object-id>4</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f4</object-id><label>FIG. 4.</label><caption><p>Rates of change in number density and energy density of the dark sector in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> KINDER regime, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In both plots, thermodynamic phases A, B, and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue, yellow, and pink, respectively. Left: number density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (dark orange dashed line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (green line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (red dashed line) are shown with solid lines indicating processes that net deplete <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>’s, and dashed lines indicating processes that net produce it instead. Also shown are the rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (purple line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (dashed yellow line). The Hubble parameter is shown in the black dashed line. Right: energy density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (red dashed line), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> (green line), which has the net effect of heating the dark sector. The rate at which the energy density of dark matter is changing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (black dashed line) is shown for reference.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_4.eps"/></fig><p>Because the slow evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> takes place from the time of kinetic decoupling until the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, the DM thermal relic density is governed mainly by the kinetic decoupling process. In this regime, the vector-portal DM model therefore shares many similarities with elastically decoupling (ELDER) dark matter <xref ref-type="bibr" rid="c17">[17]</xref>, with the main differences being the existence of thermodynamic phase C mentioned in the last paragraph, and the fact that kinetic decoupling in vector-portal DM is frequently governed by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, instead of elastic scattering processes, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The dark-sector entropy is also not fully conserved due to the existence of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>.</p><p>Similar to the boundary between the WIMP and classic NFDM regimes, we can estimate the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> at which we transition from the KINDER regime to the classic NFDM regime by finding the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> for which kinetic decoupling and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out occur at roughly the same time. We find that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is often the process that governs kinetic decoupling, and so the boundary between these regimes occurs at the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> where both Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d30">(30)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d34">(34)</xref> are satisfied at the same SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Analytically, we find <disp-formula id="d41"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d41a1">∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9.9</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105.7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math><label>(41)</label></disp-formula>as the boundary between the classic NFDM regime and the KINDER regime, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> denoting the dimensionless inverse temperature at the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process. To obtain an expression analogous to Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d40">(40)</xref> under the additional assumption that the correct relic abundance is obtained, i.e., that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref> is satisfied, we need to understand how the freeze-out abundance of DM scales with the model parameters analytically in the KINDER regime. In the next few sections, we will review each thermodynamic phase of the KINDER regime, providing where possible an analytic understanding of the KINDER freeze-out process.</p></sec><sec id="s4b2"><label>2.</label><title>Kinetic decoupling and cannibalization</title><p>As we discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref>, kinetic decoupling occurs at the point when both Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d34">(34)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d35">(35)</xref> have just been satisfied. We find that kinetic decoupling is usually controlled by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>; i.e., the condition Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d34">(34)</xref> is fulfilled after Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d35">(35)</xref>. Therefore, for the purpose of analytic estimates, we will assume that this is always true; our numerical results show that elastic scattering can become the process controlling kinetic decoupling at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>Let us first obtain an analytic estimate of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the dimensionless inverse temperature at kinetic decoupling, to see how it depends on the parameters of our model. Using the expression in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d34">(34)</xref> reads <disp-formula id="d42"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</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:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>2.2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>pl</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>kinetic decoupling</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(42)</label></disp-formula>For our benchmark parameters in this regime, the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> where this condition is met is shown in the right panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref> at the transition between thermodynamic phases A and B.</p><p>After kinetic decoupling, the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> deviates from the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as indicated in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>, while the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes continue to proceed at rates larger than the Hubble expansion rate. The dark sector enters thermodynamic phase B with both the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes maintaining chemical equilibrium in the dark sector and forcing the chemical potentials to zero, as discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref>. During this phase, the dark sector is cannibalistic, undergoing a net conversion of mass to kinetic energy in the dark sector, which then causes the dark sector to heat up.</p><p>In the limit where no energy is transferred to the SM, the dark-sector entropy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> is conserved. The dark-sector entropy density can be approximated as <disp-formula id="d43"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d43a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d43a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(43)</label></disp-formula>where in the second line we can neglect <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> due to its relatively large Boltzmann suppression compared to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and we used the fact that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Conservation of entropy enforces <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, with no processes active between the dark sector and the SM. In this limit, we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> are of the same order, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, since the fast dark-sector processes are responsible for both setting the chemical potentials and the number density evolution of the dark-sector particles. Making use of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d43">(43)</xref> and the expression of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref>, entropy conservation in the dark sector implies the following relation between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d44"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</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>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d44a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><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>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>conserved</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(44)</label></disp-formula>In thermodynamic phase B, we have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, giving <disp-formula id="d45"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>conserved</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(45)</label></disp-formula>which we can integrate from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> up to some dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> to get <disp-formula id="d46"><mml:math display="block"><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>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>log</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> conserved</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(46)</label></disp-formula>We see that the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is approximately fixed by the temperature of kinetic decoupling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> evolving slowly (logarithmically) with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> thereafter. If entropy were perfectly conserved, then the corresponding evolution in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> would be approximately <disp-formula id="d47"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</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:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>conserved</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(47)</label></disp-formula>which would indicate an approximately constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in phase B.</p><p>While entropy conservation arguments are sufficient to get a crude approximation of the behavior of the dark sector in this phase, the true picture is significantly more complicated; for example, in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>, while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> stops exponentially decreasing in phase B, it is clearly not constant. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, we see that the dark sector enters thermodynamic phase B after kinetic decoupling occurs at around <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:math></inline-formula> for our benchmark parameters. After kinetic decoupling, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is no longer fast enough to keep the dark sector and SM in thermal equilibrium. As a result, the dark sector begins to heat, as shown in the bottom panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref>. With the increase in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, however, comes an increase in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which also increases the rate at which energy density is transferred by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> to the SM. As a result, the energy density transfer from the dark sector to the SM remains relatively large even after kinetic decoupling; this can be seen in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, which shows that this rate stays close to the rate of change of the dark-sector energy density per <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particle given approximately by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Dark sector entropy is thus not quite conserved.</p><p>A better analytic understanding for the dark-sector evolution thermodynamic phase B can be obtained from the argument above: since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> always evolves in such a way as to keep <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> relatively efficient at transferring energy from the dark sector to the SM, we find that <disp-formula id="d48"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></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>χ</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(48)</label></disp-formula>Thermodynamic phase B is characterized by zero chemical potentials for both species, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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 likewise for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Given the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref>, this approximation gives <disp-formula id="d49"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><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>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(49)</label></disp-formula>Taking <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, this differential equation is easily integrated to get <disp-formula id="d50"><mml:math display="block"><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>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</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:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</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>x</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:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(50)</label></disp-formula>Figure <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref> shows the comparison between this analytic temperature evolution and the numerical evolution computed directly from the Boltzmann equations. We see that the analytic result assuming entropy conservation overestimates the temperature somewhat, since it neglects the transfer of energy to the SM, and our modified analytic estimate is in better agreement with the phase B numerical results.</p><fig id="f5"><object-id>5</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f5</object-id><label>FIG. 5.</label><caption><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, KINDER regime comparison between the improved analytic estimate of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (red dashed line) using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d50">(50)</xref> in thermodynamic phase B and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref> in phase C and the full numeric calculation from the Boltzmann equations (blue line). We also show the predicted temperature assuming dark-sector entropy conservation (purpled dashed line), using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d46">(46)</xref> in phase B and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref> in phase C. The SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> is shown for reference (black dashed line), with the thermodynamic phases A, B, and C marked in light blue, yellow, and pink.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_5.eps"/></fig><p>As we indicated earlier, a very similar logarithmic evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> in a kinetically decoupled dark sector with zero chemical potential has already been found in other dark-sector models <xref ref-type="bibr" rid="c17 c18 c32 c33 c34">[17,18,32–34]</xref>. However, as discussed above in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4b1">IV B 1</xref>, in the dark photon model parameter space we are studying, a second stage of cannibalization begins when the Universe expands and cools to the point where the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out.</p></sec><sec id="s4b3"><label>3.</label><title><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and continued cannibalization</title><p>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> rate falls below the Hubble expansion rate, triggering a nonzero chemical potential in the dark sector; this is indicated on the left panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref> by the transition from phase B to C. We will label the temperatures of the SM and dark sector at which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out occurs as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, respectively, and correspondingly, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>.</p><p>To understand the behavior of the dark sector in this phase analytically, we rely on Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> and drop the contribution from elastic scattering, which is unimportant by the time the dark sector is in thermodynamic phase C. This gives <disp-formula id="d51"><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>χ</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(51)</label></disp-formula>for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density evolution, and <disp-formula id="d52"><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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d52a1">≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(52)</label></disp-formula>for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> number density.</p><p>In general, provided that the dark-sector number densities <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>) are such that they would be in a steady state in the absence of the cosmic expansion, their time derivatives will be parametrically controlled by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> and can be approximated as being of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (the prefactor, of course, being important to the details of the solution). During the two cannibalization stages, when the comoving number density evolution is slow, we furthermore expect the prefactor to be an <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> number. Therefore, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d51">(51)</xref> shows that <disp-formula id="d53"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(53)</label></disp-formula></p><p>The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> term on the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d53">(53)</xref> also appears in the Boltzmann equation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref>; however, since in general <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we see that <disp-formula id="d54"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(54)</label></disp-formula>In the parameter space of interest for obtaining the correct relic abundance in thermodynamic phase C, we generally have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi></mml:math></inline-formula> by the time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, as well as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, i.e., <disp-formula id="d55"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(55)</label></disp-formula>As we argued above, we expect the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d52">(52)</xref> to be on the order of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>; since both terms on the right-hand side are large compared to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we expect these terms to be comparable in magnitude. Given that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate is on the order of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d53">(53)</xref>, we therefore arrive at the following important approximate relation that is valid in phase C: <disp-formula id="d56"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(56)</label></disp-formula>How well the last approximation in the equation above is satisfied determines the accuracy of our analytic results: in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, we see that this approximation is satisfied up to a factor of 3 throughout phase C.</p><p>In thermodynamic phase C with a fast <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, recall from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref> that the chemical potentials of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> are related by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. We can therefore rewrite Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d56">(56)</xref> as <disp-formula id="d57"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></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:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(57)</label></disp-formula>At the point of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, with the dark-sector and SM temperatures being <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, respectively, we still have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and so we have <disp-formula id="d58"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</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 stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(58)</label></disp-formula>from which we finally obtain the following approximate relation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d59"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>H</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 stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</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>(59)</label></disp-formula></p><p>To obtain a full, analytic understanding of the dark-sector evolution, we now need to determine <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. We can once again obtain a rough approximation by taking the dark-sector entropy to be conserved, in which case Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d44">(44)</xref> determines the evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In order to get analytic control of the temperature evolution, we can make the approximations <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>; the latter condition is true early in phase C since the chemical potential starts at zero. Using the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> derived in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d59">(59)</xref>, we find <disp-formula id="d60"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>conserved</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(60)</label></disp-formula>After <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, for values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> that are not too close to 2, we typically have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and so we may drop the first term in the equation above to find that <disp-formula id="d61"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>conserved</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(61)</label></disp-formula>We may integrate this approximate expression to obtain <disp-formula id="d62"><mml:math display="block"><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>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</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:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>conserved</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(62)</label></disp-formula>which shows that even during thermodynamic phase C with a nonzero chemical potential in the dark sector, the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> still evolves logarithmically with the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. After the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process alone is sufficient to maintain cannibalization of the dark sector, even though a nonzero dark chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>μ</mml:mi></mml:math></inline-formula> has developed. This second stage of cannibalization which occurs in the KINDER scenario is an extension of the conventional cannibalization scenario. It is a critical part of the thermal history of KINDER, because it ensures that after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and before <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and comoving number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> continue to evolve slowly, as Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> shows, remaining mostly fixed by their values at kinetic decoupling. We will explore this slow evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in more detail in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4b4">IV B 4</xref>.</p><p>As before, entropy conservation is not strictly obeyed due to the fact that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> remains quite efficient at transferring energy from the dark sector to the SM; a more sophisticated analytic understanding can once again be attained by examining the Boltzmann equations closely. First, with elastic scattering being unimportant, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d22">(22)</xref> shows that there is an approximate relationship between the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rates that is applicable even after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out: <disp-formula id="d63"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mrow><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d63a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(63)</label></disp-formula>As we argued in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d53">(53)</xref>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate is comparable to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which leads us to conclude that <disp-formula id="d64"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(64)</label></disp-formula>This expression demonstrates that just after the point of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d31">(31)</xref>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> rates remain close to each other, until <disp-formula id="d65"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(65)</label></disp-formula>The fact that these rates are close even after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out can be seen in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>, immediately after the transition between phases B and C.</p><p>Before the condition in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d65">(65)</xref> is satisfied, we must therefore have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> as well, which together with the fast <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> requirement that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> maintains the chemical potential of the dark sector at approximately zero. Moreover, temperature evolution continues to obey the temperature evolution derived in phase B shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d50">(50)</xref>. Eventually, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> decreases to a point where Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d65">(65)</xref> becomes satisfied at some SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and corresponding <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>Above <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the previous argument used to obtain Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d59">(59)</xref> can be used to obtain a similar expression <disp-formula id="d66"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</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>(66)</label></disp-formula>and the condition shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d56">(56)</xref> reduces the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density evolution to the following compact form: <disp-formula id="d67"><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>χ</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(67)</label></disp-formula>Using the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> found in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> as well as the expression for the chemical potential derived in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d59">(59)</xref>, we obtain <disp-formula id="d68"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(68)</label></disp-formula></p><p>If we make the approximation that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, we can integrate this expression to obtain <disp-formula id="d69"><mml:math display="block"><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>≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(69)</label></disp-formula>where <disp-formula id="d70"><mml:math display="block"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(70)</label></disp-formula>Compared to the estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> in phase C obtained using entropy conservation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref>, we see that this more sophisticated analytic treatment (i) correctly identifies the delay in the onset of a nonzero chemical potential, and (ii) introduces a correction to the temperature evolution encapsulated by the factor <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>3.4</mml:mn></mml:math></inline-formula> for our benchmark parameters). The result of our analytic estimate for the temperature is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>, and shows reasonable agreement with the fully numerical solution, up till the complete freeze-out of the dark sector at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The agreement between the analytic estimate and the numerical result deteriorates at larger <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> as the approximation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> becomes poor [we should only expect them to be equal up to an <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> factor]. The result for our improved analytic estimate for the chemical potentials using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d66">(66)</xref> is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f6">6</xref> and shows good agreement with the numerical results.</p><fig id="f6"><object-id>6</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f6</object-id><label>FIG. 6.</label><caption><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, KINDER regime comparison between the analytic estimates of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (orange dashed line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> (red dashed line) based on Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d66">(66)</xref> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, with the numerical <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (blue line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> (green line) based on integrating the full Boltzmann equations.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_6.eps"/></fig></sec><sec id="s4b4"><label>4.</label><title><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and relic abundance</title><p>Cannibalization of the dark sector continues until the Universe expands and cools to the point at which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> annihilations freeze-out at temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (and corresponding <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>). This marks the freeze-out of DM <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>200</mml:mn></mml:math></inline-formula> for our benchmark KINDER parameter point, as demonstrated in Figs. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> and <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>. After freeze-out, the comoving DM abundance <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> settles to its constant relic value, and the dark-sector temperature begins to evolve as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>, as expected for a completely decoupled nonrelativistic fluid.</p><p>Given the analytic estimates derived in the previous sections, we can now obtain an analytic estimate for the number density of DM particles at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out given by the condition shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d30">(30)</xref>. We use the assumption of dark-sector entropy conservation for simplicity, although a similar conclusion can be reached by using the more accurate analytic results described previously.</p><p>The number density of DM at freeze-out can be written given the chemical potential in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d59">(59)</xref>, giving <disp-formula id="d71"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</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:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(71)</label></disp-formula>However, the approximate expression for the temperature evolution in thermodynamic phase C found in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d62">(62)</xref> allows us to rewrite this as <disp-formula id="d72"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</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:mn>4</mml:mn><mml:msup><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></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>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(72)</label></disp-formula>Finally, using the expression for the temperature evolution during thermodynamic phase B in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d50">(50)</xref>, we can rewrite <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> in terms of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the dimensionless inverse temperature at which kinetic decoupling occurs, giving <disp-formula id="d73"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</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:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</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>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(73)</label></disp-formula>This remarkable expression shows explicitly that the freeze-out abundance is mostly controlled by kinetic decoupling, being exponentially sensitive to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, up to small power-law corrections.</p><p>Since the temperature of the dark sector evolves logarithmically after kinetic decoupling, we can make the approximation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d73">(73)</xref>. Substituting the resulting expression into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d30">(30)</xref>, we obtain the following estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at freeze-out: <disp-formula id="d74"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</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:mn>8.2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>pl</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(74)</label></disp-formula></p><p>We are now ready to obtain an analytic estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> as shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref>, when the classic NFDM regime transitions into the KINDER regime in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane, but now with the requirement that the correct relic abundance is achieved by choosing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> appropriately at each point in this parameter space. At the regime boundary, kinetic decoupling and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out occur at roughly the same time, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Combining the requirement shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref> for the correct relic abundance of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d74">(74)</xref> gives <disp-formula id="d75"><mml:math display="block"><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d75a1">∼</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105.7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(75)</label></disp-formula></p><p>Note that typical values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>18.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>23.4</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Substituting this expression into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref> leads to <disp-formula id="d76"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d76a1">∼</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.5</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>105.7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(76)</label></disp-formula></p></sec><sec id="s4b5"><label>5.</label><title>Summary of regimes and boundaries for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula></title><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f7">7</xref> shows the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>–</mml:mi><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> parameter space of this model with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, with contours at fixed values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> indicating the values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at which the observed relic abundance of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula> is obtained. We show <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula> as two examples for this range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> values. The three different regimes that we have discussed in this section—the WIMP, classic NFDM, and KINDER regimes—are shown in this parameter space with the boundaries between the regimes given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d39">(39)</xref> between the WIMP and classic NFDM regimes, and by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d76">(76)</xref> between the classic NFDM and KINDER regimes.</p><fig id="f7"><object-id>7</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f7</object-id><label>FIG. 7.</label><caption><p>Contours of the observed relic abundance (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula>) in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, for (left) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:math></inline-formula> and (right) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula> for various values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The KINDER regime (pink), classic NFDM regime (orange), and WIMP regime (blue) are indicated, with the boundaries obtained using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d39">(39)</xref> for the WIMP/classic NFDM boundary and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref> for the classic NFDM/KINDER boundary. We show nominal results for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as large as 100 to make it easier to see the slope of the lines in the KINDER regime, but note that our calculations are perturbative and will not be valid for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_7.eps"/></fig><p>For large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> values above <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the contours follow a constant value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the parameter combination that appears in the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>; this corresponds to the WIMP regime.</p><p>Below <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the freeze-out of the dark sector transitions into the classic NFDM regime, with the dark sector remaining in thermal contact up till the point of freeze-out, and with the abundance controlled solely by when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out. Consequently, as previously discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4a">IV A</xref>, the correct relic abundance does not depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> and is only determined by the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, leading to vertical contours.</p><p>For yet smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we eventually encounter the NFDM-KINDER boundary <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">K</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">N</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Within the KINDER regime, the dark matter abundance is determined by the kinetic decoupling process; over much of the parameter space, this process is controlled by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, which only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, leading to roughly horizontal contours of approximately constant <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>. At larger values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the elastic scattering process (which depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) becomes more important and starts to play a bigger role in determining when kinetic decoupling occurs.</p></sec></sec></sec><sec id="s5"><label>V.</label><title><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title><p>We will now focus on the behavior of the dark sector when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For these values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out after the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, leading to qualitatively different behavior in the dark sector. Solving the full Boltzmann equations given in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d14">(14)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref> reveals a rich and complicated picture, with both the freeze-out of DM and the temperature of the dark sector showing drastically different behavior depending on the parameter values.</p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the dark sector is once again in the WIMP regime, and freezes out via <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. For smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we find four different regimes when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>. <list list-type="order"><list-item><label>(1)</label><p>Regime I: the classic forbidden scenario. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is large enough that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is fast, so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>; furthermore, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> elastic scattering is sufficiently fast to ensure that the dark-sector temperature is nearly equal to the SM temperature throughout the freeze-out. The dark sector stays in thermodynamic phase A until the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out, and no dark-sector number-changing processes remain. This regime is precisely the limit studied in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c30">[30]</xref>.</p></list-item><list-item><label>(2)</label><p>Regime II: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, slight cooling. At slightly smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the process <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is still fast enough to maintain <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. However, this condition is insufficient to keep the dark sector in thermal contact with the SM, which cools due to the net conversion of kinetic energy in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles into rest mass of the heavier <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> particles through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. In regime II, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large enough for the elastic scattering process <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> to transfer some heat from the SM to the dark sector, slowing the cooling.</p></list-item><list-item><label>(3)</label><p>Regime III: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, rapid cooling. Going to still smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> process is still fast enough to lock the number density of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, but <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is too inefficient to transfer any heat from the SM to the dark sector at any point after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. In this limit, the rate of cooling is independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the dark sector cools in a manner that only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(4)</label><p>Regime IV: KINDER. For the smallest values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> that we consider, kinetic decoupling of the dark sector from the SM occurs while both the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes have rates that are much faster than Hubble. This regime shares many of the features of the KINDER regime discussed for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The dark sector first enters thermodynamic phase B with zero chemical potential, and then transitions to thermodynamic phase C (with nonzero chemical potentials) after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. Entropy conservation within the dark sector after kinetic decoupling (initially with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>) leads to the logarithmic evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> that is characteristic of cannibalism (see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c17 c32 c33">[17,32,33]</xref>), resulting in a hotter dark sector.</p></list-item></list></p><p>We will first discuss the broad features of how the dark-sector temperature evolves for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, before examining each of these regimes in turn, focusing on getting some analytic intuition for them. All of our results are once again obtained by solving the  Boltzmann equations, Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d14">(14)</xref>–<xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref>, numerically.</p><sec id="s5a"><label>A.</label><title>Dark-sector temperature evolution</title><p>In regime I, the classic forbidden DM regime, the temperature evolution of the dark sector is trivially given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. For the other regimes, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out divides the dark-sector temperature evolution into two important phases.</p><sec id="s5a1"><label>1.</label><title>Temperature evolution before <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out</title><p>In regimes II and III, while both the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes are fast, the simultaneous conditions imposed on the chemical potentials shown in Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d33">(33)</xref> are satisfied only if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. At the same time, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large enough such that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>; therefore, we must have <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as well, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Prior to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, regimes II and III thus stay in thermodynamic phase A.</p><p>For the KINDER-like regime IV during this phase, the temperature evolution is identical to the KINDER regime with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> prior to kinetic decoupling and the dark sector entering thermodynamic phase B once decoupling occurs. In thermodynamic phase B, the dark-sector particles have zero chemical potential, and the temperature evolves as in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d50">(50)</xref>.</p></sec><sec id="s5a2"><label>2.</label><title>Temperature evolution after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out</title><p>Once the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out, the only process which depletes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. This process converts lighter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles into heavier <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> particles, removing kinetic energy from the dark sector, resulting in a cooling of the dark sector. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process enforces <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which start to take on nonzero values.</p><p>As we derived in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3c">III C</xref>, the Boltzmann equations enforce certain relations between the rates of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and elastic scattering in the nonrelativistic limit. As shown in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref>, we can approximately express the number density evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particles purely in terms of the elastic scattering rate and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate. In regime III, the number density evolution between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out is dominated solely by the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate, with the elastic scattering term being negligible. Since the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate has dropped below the Hubble rate in this phase, regime III is characterized by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> being approximately constant, with the dark-sector temperature being dependent only on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate. In regime II, the number density evolution is instead dominated by the elastic scattering rate before <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, leading to more rapid evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and less deviation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> from the SM temperature. In the limit of large elastic scattering, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, which is the condition found in regime I.</p><p>To understand the behavior of regimes II and III more quantitatively, we can expand <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> to obtain <disp-formula id="d77"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:malignmark/><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><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:mrow><mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(77)</label></disp-formula></p><p>In regimes II and III, approximations for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out can be found. In these regimes, the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large enough such that <disp-formula id="d78"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><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>/</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>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(78)</label></disp-formula>We emphasize, however, that the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is not equal to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>; rather, the chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> evolves in such a way as to maintain the relation above. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> process removes kinetic energy from the dark sector, and the exact evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> depends on the efficiency of the heat exchange processes between the dark sector and the SM. Writing out the full expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d3">(3)</xref> and making use of the fact that while the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process is the only process that is fast, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d33">(33)</xref> must hold; i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we find that the chemical potential must satisfy the following relation: <disp-formula id="d79"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></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:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></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:mrow></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><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>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</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>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><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:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(79)</label></disp-formula>Furthermore, the ratio of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> is completely specified by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> since the chemical potentials cancel out: <disp-formula id="d80"><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(80)</label></disp-formula>Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="d79">(79)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d80">(80)</xref> show that given <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we will be able to obtain <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> as a function of the SM temperature in regimes II and III. Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="d79">(79)</xref> provides an expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which combined with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d77">(77)</xref> gives an expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> after the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d81"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d81a1">≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></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>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(81)</label></disp-formula>If we make the further approximation that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><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>, this equation takes a particularly simple form, <disp-formula id="d82"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d82a1">≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</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:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><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:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</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:mi>H</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(82)</label></disp-formula>We note that the second term on the right-hand side is typically smaller than the term before it since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, but has been included to improve the accuracy of this analytic result. In terms of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we have <disp-formula id="d83"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><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>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d83a1">≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</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:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><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:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(83)</label></disp-formula></p><p>The relative importance of each term on the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d82">(82)</xref>, which governs the temperature evolution after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, separates regimes I–III. Since the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> term is typically less than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the different regimes are distinguished by how large the elastic scattering term is compared to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. In regime I, throughout the period between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, we have <disp-formula id="d84"><mml:math display="block"><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:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><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:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>regime</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(84)</label></disp-formula>keeping in mind that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><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:math></inline-formula> [see Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db16">(B16)</xref> for an expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>]. The fast elastic scattering enforces <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the assumption of the classic forbidden regime. In regime II, we have instead <disp-formula id="d85"><mml:math display="block"><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:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><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:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>regime</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>II</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:math><label>(85)</label></disp-formula>at some point between the two dark-sector freeze-out events. In this regime, since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><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:math></inline-formula>, the dark sector begins to cool immediately after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, but once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> starts differing significantly from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the elastic scattering term becomes large enough to slow the cooling process.</p><p>Finally, in regime III, between the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out events, we always have <disp-formula id="d86"><mml:math display="block"><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:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><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:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mtext>regime</mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>III</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(86)</label></disp-formula>This is the limit where the elastic scattering process is too inefficient to transfer heat between the two sectors, and therefore, the dark-sector cooling is rapid and becomes independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></sec></sec><sec id="s5b"><label>B.</label><title>Regime boundaries and characteristics</title><p>We will now describe some general characteristics of each regime, providing where we can an analytic description of the dark-sector freeze-out process. We also explain how to numerically estimate the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane at which the boundary between the regimes is located.</p><sec id="s5b1"><label>1.</label><title>Regime I</title><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, freeze-out of the dark sector is controlled by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> corresponding to the conventional WIMP regime. For values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> smaller than this, we enter regime I, the classic forbidden regime, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> until the final freeze-out of the dark sector. This regime was studied in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c30">[30]</xref>, where they showed that the dark-sector freeze-out is determined entirely by when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out occurs, a purely dark-sector process which is independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>The boundary between the classic forbidden and WIMP regimes occurs when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> dark-sector process freezes out and approximately at the same time as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, i.e., <disp-formula id="d87"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>WIMP</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(87)</label></disp-formula>If we further require the freeze-out to produce the observed relic abundance and fulfill Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref>, we obtain the following analytic estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>WIMP</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> at the WIMP/regime I boundary, and specializing to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula> for illustration: <disp-formula id="d88"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>WIMP</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d88a1">∼</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>14</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>14</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(88)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn></mml:math></inline-formula> gives the temperature of freeze-out of both the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> processes.</p><p>At the low-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> end of regime I, the elastic scattering energy transfer rate becomes gradually small enough such that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d84">(84)</xref> is no longer satisfied at all points between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, and the dark sector transitions into regime II. The boundary between regimes I and II is therefore marked by when the elastic scattering condition for regime II, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d85">(85)</xref>, becomes fulfilled just as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out occurs, i.e., <disp-formula id="d89"><mml:math display="block"><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:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d89a1">≈</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>H</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 stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</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: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>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d89a1">≈</mml:mo><mml:mi>H</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 stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>II</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(89)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are the SM and dark-sector temperatures at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. Note that both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> depend on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Together with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref> for the relic abundance, we can obtain a numerical estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>II</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at the boundary between regimes I and II.</p></sec><sec id="s5b2"><label>2.</label><title>Regime II</title><p>Regime II is characterized by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d85">(85)</xref> between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, which ensures that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> due to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> process, but with some heat being transferred from the SM to the dark sector to impede the cooling of the dark sector due to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. At the same time, the decay rate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is large enough such that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> throughout the freeze-out of the dark sector. This condition immediately determines the chemical potentials <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> given analytically by the expression Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d79">(79)</xref>, as well as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref>, we show this analytic result in comparison with the numeric calculation of the chemical potential for our regime II benchmark point of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Note that the agreement deteriorates rapidly once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out occurs at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>21</mml:mn></mml:math></inline-formula>, after which the DM particle has completely frozen out, and the assumption that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> breaks. A similar result is obtained in regime III as well, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> also holds.</p><fig id="f8"><object-id>8</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f8</object-id><label>FIG. 8.</label><caption><p>Chemical potential in the dark sector in regimes II and III. Here, we choose a set of benchmark parameters (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn></mml:math></inline-formula>) within regime II, but a similar result is obtained in regime III as well. The numerically computed chemical potentials of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (red line) are shown, together with the analytic result from Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d79">(79)</xref> (orange dashed line). One can see that in phase A, all chemical potentials are close to zero; in phase C, note that at late times, after all processes have frozen out, and the analytic approximation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> breaks down as expected.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_8.eps"/></fig><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f9">9</xref> shows the evolution of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> at the same benchmark parameters. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> evolves trivially as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and therefore need not be separately plotted. Since a chemical potential develops immediately after the dark sector kinetically decouples from the SM at the point of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the dark sector passes from thermodynamic phase A to C directly. The characteristic cooling of the dark sector is apparent in the right panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f9">9</xref> and is governed by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d83">(83)</xref>. In this regime, this differential equation does not appear to be analytically integrable; we show only the numerical result obtained directly from the full Boltzmann equations.</p><fig id="f9"><object-id>9</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f9</object-id><label>FIG. 9.</label><caption><p>Dark-sector evolution in regime II for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> with parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In both plots, thermodynamic phases A and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue and pink, respectively. Left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance (given as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue line), with the zero chemical potential abundance at the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (green dashed line) and the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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> (red dashed line) shown for reference. The observed DM abundance is indicated by the horizontal black dashed line, as defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref>. Right: the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line) as a function of the SM temperature (red dashed line). The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> abundance evolves trivially as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in this regime.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_9.eps"/></fig><p>In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f10">10</xref>, we show the number density and energy density rates of all relevant dark-sector processes. The transition between phases A and C occurs at roughly <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn></mml:math></inline-formula>, when the backward and forward <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rates cease to be approximately equal. This occurs when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate is still much larger than the Hubble rate, due to the relation between the rates of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes enforced by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d22">(22)</xref>, where the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate being of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> allows the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> total rate to be much larger than the Hubble rate. Once the dark sector transitions into phase C, we see that the elastic scattering energy density rate per <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particle becomes just a factor of a few smaller than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, meeting the regime II criterion laid out in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d85">(85)</xref>. This shows that a significant amount of heat is transferred from the SM to the dark sector, slowing the cooling rate compared to what happens in regime III, which we will discuss next.</p><fig id="f10"><object-id>10</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f10</object-id><label>FIG. 10.</label><caption><p>Rates of change in number density and energy density of the dark sector in regime II for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> with parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In both plots, thermodynamic phases A and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue and pink, respectively. Left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (dark orange dashed line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (green line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (red dashed line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (purple line), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (yellow dashed line) are shown. The Hubble rate is shown as a black dashed line. Right: energy density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (red dashed line), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> (green line), which has the net effect of heating the dark sector. The rate at which the energy density of DM is changing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (black dashed line) is shown for reference.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_10.eps"/></fig><p>Within regime II, as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> decreases still further, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d85">(85)</xref> is met increasingly earlier, leading to a colder dark sector due to the diminishing ability of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> to heat the dark sector. Eventually, the condition Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d85">(85)</xref> is only met at the point of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, and no significant amount of heat is transferred to the dark sector after that. This marks the boundary between regimes II and III, i.e., <disp-formula id="d90"><mml:math display="block"><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:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d90a1">≈</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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 stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d90a1">≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>II</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>III</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(90)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are the SM and dark-sector temperatures at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, respectively. An analytic estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>II</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>III</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> when these two conditions are satisfied, is <disp-formula id="d91"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>II</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>III</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d91a1">∼</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0.4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(91)</label></disp-formula>Once again, combining the boundary conditions shown above with the observed relic abundance in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref> allows us to eliminate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> from the expression above numerically. This numerical expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>II</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>III</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> forms the boundary between regimes II and III.</p></sec><sec id="s5b3"><label>3.</label><title>Regime III</title><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f11">11</xref> shows the evolution of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance and the dark-sector temperature in regime III for our benchmark parameters in this regime, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.13</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f12">12</xref>, we show the number density and energy density rates per <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particle through the dark-sector freeze-out. In this regime, the dark-sector temperature once again cools rapidly after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and enters thermodynamic phase C; unlike regime II, however, elastic scattering plays no significant role in influencing this evolution between <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, as can be seen in the right panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f12">12</xref>. The dark-sector temperature evolution after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out can be obtained by setting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d83">(83)</xref> and neglecting the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate (which is much smaller than the forward rate after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out), i.e., <disp-formula id="d92"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><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>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</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:mi>H</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mrow></mml:math><label>(92)</label></disp-formula>Given the approximation for the chemical potential <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d79">(79)</xref>, this differential equation can be integrated exactly, starting from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> to give <disp-formula id="d93"><mml:math display="block"><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 indentalign="id" indenttarget="d93a1">≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><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>(93)</label></disp-formula>In the right panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f11">11</xref>, we show this analytic result in comparison with the numeric result obtained from the full Boltzmann equation and find excellent agreement between them, up to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>23</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f11"><object-id>11</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f11</object-id><label>FIG. 11.</label><caption><p>Dark-sector evolution in regime III for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> with parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.13</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In both plots, thermodynamic phases A and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue and pink, respectively. Left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance (given as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue line), with the zero chemical potential abundance at the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (green dashed line) and the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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> (red dashed line) shown for reference. The observed DM abundance (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula>) is indicated by the horizontal black dashed line, as defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref>. Right: the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line) as a function of the SM temperature (black dashed line). An analytic estimate for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d93">(93)</xref> is shown by the red dashed line. The <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> abundance evolves trivially as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in this regime.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_11.eps"/></fig><fig id="f12"><object-id>12</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f12</object-id><label>FIG. 12.</label><caption><p>Rates of change in number density and energy density of the dark sector in regime III for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, with parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.13</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In both plots, thermodynamic phases A and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue and pink, respectively. Left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (dark orange dashed line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (green line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (red dashed line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (purple line), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (yellow dashed line) are shown. The Hubble rate is shown as a black dashed line. Right: energy density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (red dashed line), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> (green line), which has the net effect of heating the dark sector. The rate at which the energy density of DM is changing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (black dashed line) is shown for reference.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_12.eps"/></fig><p>Throughout regime III, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> due to the highly efficient <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> process; as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> decreases, however, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> becomes less and less rapid, and eventually this process becomes too inefficient to keep the dark sector in thermal equilibrium at the point of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. Below this point, kinetic decoupling between the two sectors occurs before either of the dark-sector processes freezes out, leading to the KINDER-like regime IV. We can estimate the boundary between regimes III and IV by requiring the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and kinetic decoupling to occur at the same time, i.e., <disp-formula id="d94"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</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>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</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>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d94a1">≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</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>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</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>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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 stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d94a1">≈</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="1em"/><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>III</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>IV</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(94)</label></disp-formula>These conditions are however identical to the conditions used for estimating the boundary between the KINDER and the NFDM regime for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d41">(41)</xref>. This equation can be restated as <disp-formula id="d95"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>III</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>IV</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d95a1">∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9.6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>10.75</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>23.7</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(95)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>III</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>IV</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> between regimes III and IV as a function of various model parameters. Finally, we may once again combine Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d95">(95)</xref> with the condition for the observed relic abundance in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref> to numerically derive the boundary between these regimes.</p></sec><sec id="s5b4"><label>4.</label><title>Regime IV</title><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f13">13</xref> shows the evolution of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance and the dark-sector temperature in regime IV for our benchmark parameters in this regime, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.6</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f14">14</xref>, we show the number density and energy density rates per <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particle throughout dark-sector freeze-out. In regime IV, kinetic decoupling occurs before either of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> processes become slow. This regime is similar to the KINDER regime with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> exhibiting heating in the dark sector with the key difference being that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process is now slower than the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process. In thermodynamic phases A and B, the physics in this regime is identical to that of the KINDER regime with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, as discussed in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4b2">IV B 2</xref>. Kinetic decoupling occurs first at a temperature given approximately by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d42">(42)</xref>, after which the dark sector enters phase B. An approximation for the evolution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> can be obtained by assuming dark-sector entropy conservation leading to <disp-formula id="d96"><mml:math display="block"><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>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(96)</label></disp-formula>while a more detailed examination of the Boltzmann equations leads to the improved approximation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d50">(50)</xref>, i.e., <disp-formula id="d97"><mml:math display="block"><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>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</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:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</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>x</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:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(97)</label></disp-formula></p><fig id="f13"><object-id>13</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f13</object-id><label>FIG. 13.</label><caption><p>Dark-sector evolution in regime IV for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, with parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.6</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In all three plots, thermodynamic phases A, B, and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue, yellow, and pink, respectively. Top left: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance (given as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>) as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue line), with the zero chemical potential abundance at the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (green dashed line) and the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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> (red dashed line) shown for reference. The observed DM abundance is indicated by the horizontal black dashed line, as defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref>. Top right: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> abundance (given as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>) as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (blue line), with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (green dashed line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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> (red dashed line) once again given for reference. Bottom: the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line) as a function of the SM temperature (red dashed line).</p></caption><graphic xlink:href="e083517_13.eps"/></fig><fig id="f14"><object-id>14</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f14</object-id><label>FIG. 14.</label><caption><p>Rates of change in number density and energy density per <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> particle of the dark sector in regime IV for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>; the model parameters are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.6</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In both plots, thermodynamic phases A, B, and C as defined in Sec. <xref ref-type="sec" rid="s3d">III D</xref> are shown in light blue, yellow, and pink, respectively. Left: number density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> (dark orange dashed line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (green line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (red dashed line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (purple line), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (yellow dashed line) are shown. Also shown are the rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (purple line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (dashed yellow line). The Hubble parameter is shown in the black dashed line. Right: energy density rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (blue line), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (red dashed line), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> (green line), which has the net effect of heating the dark sector. The rate at which the energy density of dark matter is changing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (black dashed line) is shown for reference.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_14.eps"/></fig><p>Once the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out, the dark sector enters thermodynamic phase C. As before, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> number density evolution is given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref>, i.e., <disp-formula id="d98"><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>χ</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</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:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(98)</label></disp-formula>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, however, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process is slow in phase C, meaning that <disp-formula id="d99"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</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>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(99)</label></disp-formula>i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> in phase C with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> frozen out.</p><p>More accurately, Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d54">(54)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d55">(55)</xref> are still true in this regime since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>; we therefore still have the following approximate relation after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out occurs: <disp-formula id="d100"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</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:mo>≈</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(100)</label></disp-formula>where we have neglected the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate since the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out has occurred. This approximate relation gives us an expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>: <disp-formula id="d101"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><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>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><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:msup><mml:mrow><mml:mi>r</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:mrow><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/></mml:mrow></mml:math><label>(101)</label></disp-formula>A comparison between this analytic approximation and the numerical result in phase C is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f15">15</xref>, demonstrating good agreement up till the point of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out.</p><fig id="f15"><object-id>15</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f15</object-id><label>FIG. 15.</label><caption><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, KINDER regime IV (benchmark values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.6</mml:mn></mml:math></inline-formula>) comparison between the analytic estimate of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> (orange dashed line) given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d101">(101)</xref>, and the numerical computation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (blue line) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> (red line) based on integrating the full Boltzmann equations.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_15.eps"/></fig><p>We can substitute our analytic expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d98">(98)</xref> using the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d8">(8)</xref> giving <disp-formula id="d102"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></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:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(102)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the temperature at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out. This expression can be integrated exactly to give <disp-formula id="d103"><mml:math display="block"><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 indentalign="id" indenttarget="d103a1">≈</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>log</mml:mi><mml:mrow other="silent"><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>⁢</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(103)</label></disp-formula>This analytic prediction in comparison with the numerical temperature evolution is shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f16">16</xref>, showing good agreement until near the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>μ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula> begin to diverge.</p><fig id="f16"><object-id>16</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f16</object-id><label>FIG. 16.</label><caption><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, KINDER regime IV (benchmark values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.6</mml:mn></mml:math></inline-formula>) comparison between the analytic estimate of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (red dashed line) given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d103">(103)</xref> and the numerical computation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (blue line) based on integrating the full Boltzmann equations. The SM temperature is shown for reference (black dashed line).</p></caption><graphic xlink:href="e083517_16.eps"/></fig></sec><sec id="s5b5"><label>5.</label><title>Summary of regimes and boundaries for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula></title><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f17">17</xref> shows contours for fixed values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> parameter space for which the observed relic abundance of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula> is attained. We show the same set of contours for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula> as two representative values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> in the case of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The four regimes can be made out by changes in behavior of the contour lines. Note that the boundary between the WIMP regime and regime I occurs at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> values above the maximum <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f17">17</xref>.</p><fig id="f17"><object-id>17</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f17</object-id><label>FIG. 17.</label><caption><p>Contours of the observed relic abundance (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula>) in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, for (left) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn></mml:math></inline-formula> and (right) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, for various values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The classical forbidden regime I (blue), regime II (green), regime III (orange), and KINDER regime IV (pink) are indicated, with the boundaries obtained using Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d89">(89)</xref> between I/II, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d90">(90)</xref> between II/III, and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d94">(94)</xref> between III/IV, all in conjunction with the relic abundance condition given in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d10">(10)</xref>. We show nominal results for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as large as 100 to make it easier to see the slope of the lines in the KINDER regime, but note that our calculations are perturbative and will not be valid for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_17.eps"/></fig><p>In regime I, the relic abundance is controlled entirely by the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, which only depends on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, leading to vertical contours in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane. Decreasing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> into regime II, the relic abundance is controlled by when the freeze-out of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> occurs, as well as how efficiently <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> heats the dark sector and impedes the cooling due to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, leading to some nontrivial dependence on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Once we arrive at regime III however, elastic scattering becomes extremely inefficient, and the rate of dark-sector cooling after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out depends only on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> rate itself. Since all of the physically important processes are purely dark-sector processes, the contours are once again independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Finally, in regime IV, the relic abundance is determined by when kinetic decoupling occurs, but also by the long power-law decrease in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in phase B, which is dictated by dark-sector-only processes. This once again leads to contours that depend on both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>We note that the contour of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shows an abrupt change in behavior in regime II compared to higher DM masses. This occurs due to the fact that in regime II thermodynamic phase C, DM particles with masses below <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> undergo elastic scattering with nonrelativistic, rather than relativistic, electrons throughout most of the freeze-out process. The Boltzmann suppression of nonrelativistic electrons leads to a sharp decrease in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>, which controls the cooling rate of the dark sector in this phase, and hence, the relic abundance of DM. The correct relic abundance is thus achieved at a higher value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> than expected in order for the stronger mixing to compensate for the decrease in electron number density. We refer the reader to Appendix <xref ref-type="app" rid="app2">B</xref> for more details on how <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is computed.</p></sec></sec></sec><sec id="s6"><label>VI.</label><title>EXPERIMENTAL PROBES AND CONSTRAINTS</title><p>There are significant constraints on dark photons from both terrestrial experiments and supernova observations. There are also cosmological constraints on the DM itself, from DM annihilation to electrons and positrons affecting the anisotropies of the CMB, and from modifications to the number of effective degrees of freedom during big bang nucleosynthesis (BBN) and the CMB epoch. DM self-interactions mediated by the dark photon exchange can be large and can be probed by observations of galactic structure. Finally, a sufficiently warm dark sector can be constrained by measurements of the matter power spectrum. We will discuss these constraints in this section and plot the results in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f18">18</xref>.</p><fig id="f18"><object-id>18</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.f18</object-id><label>FIG. 18.</label><caption><p>Constraints on our dark matter model for (upper left) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, (upper right) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, (lower left) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and (lower right) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The purple shaded regions are the constraints from SN1987A. The cyan regions on the upper-right corners of the plots are from direct-detection experiments. We plot the self-interaction constraints as red shaded regions, and CMB <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave annihilation limits with green. We also show the accelerator constraints as light gray. The constraint from BBN is shown as a red dotted line. Finally, we add the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> contour (gray dashed curve) and shade out the region where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> with dark gray. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn></mml:math></inline-formula> and 1.4, the boundaries (blue dot-dashed lines) between regimes I–IV (see Sec. <xref ref-type="sec" rid="s5b">V B</xref>) are shown. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:math></inline-formula> and 1.8, the WIMP, NFDM (Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4a">IV A</xref>), and KINDER (Sec. <xref ref-type="sec" rid="s4b">IV B</xref>) regimes are separated by blue dot-dashed lines.</p></caption><graphic xlink:href="e083517_18.eps"/></fig><sec id="s6a"><label>A.</label><title>Accelerator and direct-detection experiments</title><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> with a dark photon mass above 1 MeV, dark photons produced at beam experiments decay visibly into SM particles. The observational signatures of visibly decaying dark photons have been studied extensively in the literature <xref ref-type="bibr" rid="c6 c7 c8 c9 c10 c11 c12 c13 c14 c15 c36 c37 c38 c39">[6–15,36–39]</xref>. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f18">18</xref>, we plot the region of parameter space excluded by these experiments. This excluded region covers considerable parameter space extending down to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>–</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Direct-detection experiments can probe the scattering of the DM on both electrons and nucleons (including the Migdal effect <xref ref-type="bibr" rid="c40 c41">[40,41]</xref>) via dark photon exchange. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="f18">18</xref>, we consider the constraints from DarkSide, Xenon 1T, SuperCDMS, and SENSEI <xref ref-type="bibr" rid="c40 c41 c42 c43 c44 c45">[40–45]</xref>. In the parameter space we consider, nuclear scattering limits derived by exploiting the Migdal effect set the strongest bound. These limits are primarily sensitive to the high-mass, high-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> corner of our parameter space.</p></sec><sec id="s6b"><label>B.</label><title>Supernova constraints</title><p>The production and escape of dark-sector particles during a core-collapse supernova can lead to cooling of the proto-neutron star that differs from the SM prediction <xref ref-type="bibr" rid="c46 c47">[46,47]</xref>. Such anomalous cooling is constrained by our observation of SN1987A <xref ref-type="bibr" rid="c48 c49">[48,49]</xref>.<fn id="fn3"><label><sup>3</sup></label><p>Alternative cooling models have also been proposed that cast doubt on the SN1987A bounds (see, e.g., Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c50">[50]</xref>).</p></fn></p><p>Reference <xref ref-type="bibr" rid="c51">[51]</xref> carefully derived constraints on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane in the vector-portal DM model using the SN1987A result for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and for two discrete <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> values, together with constraints for models with only <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and no DM. For fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the excluded region is generally enclosed by two boundary values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The lower boundary in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is determined by the rate of production of the dark-sector particles from the SN core: Models with smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> are allowed because they do not lead to enough production of dark-sector particles to modify the supernova evolution significantly. The upper boundary on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is determined by whether the dark-sector particles will thermalize with the SM material in the proto-neutron star before escaping the SN, leaving these particles trapped; in models with larger values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the dark-sector particles are thermalized efficiently and do not escape and cool the proto-neutron star, and hence, these scenarios are unconstrained.</p><p>We now discuss how to recast the bounds in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c51">[51]</xref> for different values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The maximum value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, being set by the kinematics of the supernova. The behavior of the lower bound is determined by the DM mass with respect to the plasma frequency of the interior <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>15</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the off-shell DM production via bremsstrahlung through virtual dark photons during neutron-proton collisions is suppressed, and the direct production of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> is more important. Consequently, the lower bound in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is very similar to that in the dark-photon-only case, and is roughly independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, however, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> pairs can be produced through an on-shell <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and the production rate is fixed by the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. For a lower bound given at a reference value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ref</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we can therefore rescale to a new value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> by leaving the part of the bound where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is constant, and rescaling the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> limit where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ref</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>.</p><p>The upper boundary of the limit on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> is determined by the dark-matter–proton-scattering cross section, and consequently varying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> changes the asymptotically flat part of the upper boundary in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> is kept fixed; i.e., from a reference upper limit given for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ref</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we rescale by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ref</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>.</p><p>We find that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, the DM rate of production in the supernova in our model is always large enough for a significant amount to be produced; our limits are therefore set by the upper limit on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as determined by the thermalization condition. Note that this also happens for the lower boundary of our curves since there, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is very large. The SN1987A constraints cover the low-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> and low-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> part of the parameter space, and generally lie entirely within the self-interaction constraints that we will describe next (albeit with different model dependence).</p></sec><sec id="s6c"><label>C.</label><title>DM self-interactions</title><p>The cross section for elastic DM-DM scattering is constrained by cluster mergers and halo shapes to satisfy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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>∼</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c52">[52]</xref>. The DM self-interaction rates for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (and their conjugate processes) are determined in Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c30 c31">[30,31]</xref>. Including both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>- and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel tree-level diagrams, the averaged cross section <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>SI</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is given by <disp-formula id="d104"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d104a1">=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>α</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d104a1">=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1.2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0.02</mml:mn></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:mrow></mml:math><label>(104)</label></disp-formula>where <disp-formula id="d105"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>16</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>4</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>(105)</label></disp-formula>Typical values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2.7</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p><p>As shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f18">18</xref>, this constraint rules out a large fraction of the parameter space especially at low <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, generically excluding <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> as high as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>–</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> depending on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>; this behavior occurs because the values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> required to obtain the correct relic density are higher at small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In this sense, the self-interaction bound is complementary to limits on the interactions with the SM, which are suppressed by small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>One possible way to evade this constraint is to consider a scenario where only some subdominant fraction of the DM is produced by the mechanisms we have considered in this work, as this limit is rather sensitive to the fraction of DM that is self-interacting. For example, Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c53">[53]</xref> shows that if the self-interacting component is less than 1% of the DM, these constraints become inapplicable. However, a full self-consistent treatment of fractionally abundant self-interacting dark matter constraints would require recalculation of the cosmological evolution in order to obtain a lower relic density and is beyond the scope of this work.</p></sec><sec id="s6d"><label>D.</label><title>CMB constraints on DM annihilation</title><p>During the postrecombination epoch, DM annihilation to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> leads to energy deposition into the baryonic gas; the resulting extra ionization can be constrained based on observations of the CMB anisotropy. We compare the annihilation cross section for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> (see Appendix <xref ref-type="app" rid="app2">B</xref>) to the limits derived in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c54">[54]</xref> and updated in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref>. We plot the region excluded by this constraint in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f18">18</xref>.</p><p>We observe that these CMB constraints provide some of the strongest bounds on models of this type for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> close to 2, excluding most of the available parameter space. Even for smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the CMB constraints provide stringent limits for models with low <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and high <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>These limits could be lifted or relaxed if the dark-sector model were adjusted in order to suppress the DM annihilation to SM particles at low velocities. For example, this could be achieved if the DM was a scalar rather than a fermion, as then the leading-order annihilation through the dark photon would be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula> wave and scale as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s6e"><label>E.</label><title>Cosmological constraints on light relics</title><p>Electromagnetically coupled DM with a mass of around 1 MeV can significantly affect the process of BBN by (i) directly increasing the expansion rate as a contribution to the energy density of the Universe and (ii) injecting entropy into the SM sector and changing the relative energy density of the electromagnetic sector as compared to the neutrino sector, altering the temperature evolution of both sectors with respect to standard cosmology. These changes in turn alter the predicted abundance of light nuclei like deuterium and helium-4, which can then be compared with existing measurements of the abundances of these nuclei (see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c55 c56 c57 c58 c59">[55–59]</xref> for deuterium and helium-4). The injection of entropy from electromagnetically coupled DM can also decrease <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c60">[60]</xref>, the effective number of degrees of freedom, during the CMB epoch, which can then be constrained by the CMB anisotropy power spectrum <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref>.</p><p>Reference <xref ref-type="bibr" rid="c61">[61]</xref> modeled the predicted primordial elemental abundances in the presence of an electromagnetically coupled dark matter particle; we adopt their results for our BBN constraints. They presented two constraints, depending on whether a prior was imposed on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> in the BBN calculations. When no prior was imposed, the bound is relatively weak, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>0.7</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for Dirac fermion DM. With a prior based on CMB observations, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.02225</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.00066</mml:mn></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref>, this bound improves to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, since the effect of entropy injection into the SM from the DM cannot be compensated for by lowering <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> arbitrarily.</p><p>We note, however, that assuming the central value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> from Planck leads to a standard BBN theoretical prediction of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">D</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that is roughly <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> below the central measured value. This discrepancy may indicate an incomplete understanding of the process of BBN even in standard cosmology, which may therefore affect the bound given above.</p><p>As mentioned above, one can also consider the impact of electromagnetically coupled DM particles on the CMB anisotropy power spectrum. Electromagnetically coupled DM particles heat the electromagnetic sector as they become nonrelativistic, effectively decreasing the number of relativistic degrees of freedom at late times by increasing the ratio of photon to neutrino temperatures. The Planck 2018 measurement <xref ref-type="bibr" rid="c25">[25]</xref> sets a constraint on electrophilic Dirac fermions of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>7.4</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A joint constraint using both primordial elemental abundance and CMB data strengthens the constraint on an electrophilic Dirac fermion to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. However, CMB <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> bounds are less robust than the BBN constraint and can be overcome by, e.g., adding dark, relativistic degrees of freedom to compensate for the effect of the electromagnetically coupled DM <xref ref-type="bibr" rid="c62">[62]</xref>.</p><p>Given the above consideration, we set a tentative constraint of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to indicate the potential constraint from BBN and CMB. Since the region with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is already strongly constrained by the CMB limits on DM <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave annihilation, beam dump experiments, and SN1987A, this constraint is not particularly important to understanding the viability of the model.</p></sec><sec id="s6f"><label>F.</label><title>Warm dark matter</title><p>In the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> KINDER regime, the dark sector undergoes an early kinetic decoupling from the SM, after which the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> evolves only logarithmically with respect to the SM temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> until the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out. As a result, the dark-sector temperature can be much higher than in the standard WIMP paradigm, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> until kinetic decoupling, after which <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Models of warm dark matter (WDM) typically have suppressed structure on small scales <xref ref-type="bibr" rid="c63 c64">[63,64]</xref> and can be constrained by measurements of the matter power spectrum from the Lyman-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> forest <xref ref-type="bibr" rid="c65 c66">[65,66]</xref>, which are sensitive to modes with comoving wave number as large as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Mpc</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>To get an estimate for how important the WDM Lyman-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> bounds are to the KINDER regime, we estimate the comoving Jeans length <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> of DM, and compare this with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>Mpc</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; for model parameters where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>max</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the model is unlikely to leave a significant imprint on the matter power spectrum on scales currently probed by experiments. We leave a detailed analysis of such potential WDM constraints for future work.</p><p>The comoving Jeans length for the DM is given by <xref ref-type="bibr" rid="c67">[67]</xref> <disp-formula id="d106"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(106)</label></disp-formula>After the dark sector completely freezes out, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>; in the radiation-dominated era, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> stays roughly constant, while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> during matter domination, decreasing with time. To make a conservative estimate, we therefore want to compare <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>max</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at the redshift of matter-radiation equality <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.<fn id="fn4"><label><sup>4</sup></label><p>The Jeans scale at matter-radiation equality is on the same order as the free-streaming length of warm dark matter at matter-radiation equality, another common method of determining the length scale below which structure is damped <xref ref-type="bibr" rid="c67">[67]</xref>.</p></fn> We can estimate the temperature of the dark sector at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as <disp-formula id="d107"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><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:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></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:mfrac><mml:mo>≃</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(107)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are the redshift and dark-sector temperature at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, respectively. With this approximation, we have <disp-formula id="d108"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(108)</label></disp-formula>Taking <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3402</mml:mn></mml:math></inline-formula> and assuming a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mi>CDM</mml:mi></mml:math></inline-formula> cosmology, we can obtain the following estimate for the Jeans length at matter-radiation equality: <disp-formula id="d109"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>Mpc</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(109)</label></disp-formula>In the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> KINDER regime, we know that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> evolves logarithmically with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> in thermodynamic phases B and C, while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> is largest when the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out at the latest possible time. We therefore find that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is largest at (i) small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, so that decoupling occurs early, minimizing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and thus <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and (ii) large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, so that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> cross section is large, and the process freezes out as late as possible, maximizing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>. To maximize the impact on small-scale structure, we therefore take the smallest mass we consider <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, choose the largest perturbative value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, giving <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3.5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> to achieve the observed relic abundance for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula>. We find that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5500</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>45</mml:mn></mml:math></inline-formula>, leading to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>Mpc</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is still small enough to be consistent with probes of small-scale structure. Other parameter combinations that obtain the observed relic abundance lead to smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, regime I has <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> until freeze-out of the dark sector, while in regimes II and III, the dark sector is actually colder than a dark sector that is thermally coupled to the SM until freeze-out, easily avoiding these warm DM constraints. In regime IV, a similar argument as above shows that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is given by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d109">(109)</xref> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> replaced by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Once again, large values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, small values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> would lead to the largest impact on small-scale structure. SN1987A constraints and the requirement of a perturbative value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula>, however, are enough to constrain <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Choosing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.19</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we find <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>630</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>89</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>Mpc</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, much smaller than would be observable. Larger values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> require larger values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> to meet the relic abundance criterion and lead to even smaller values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Similar results hold for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn></mml:math></inline-formula> as well.</p><p>We therefore find that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>max</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is satisfied throughout all relevant parameter space, leaving our model unconstrained by small-scale structure observations. However, parts of the KINDER regime are close to being constrained by existing power spectrum measurements; future improvements in WDM constraints could potentially probe these models.</p></sec><sec id="s6g"><label>G.</label><title>Summary of constraints</title><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f18">18</xref> shows a plot of the constraints on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>–</mml:mi><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> plane with four different values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> chosen at every point in parameter space such that the observed relic abundance of DM is attained, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Regions ruled out by the constraints discussed above are marked in color; parts of the space that require <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:math></inline-formula> to obtain the correct relic abundance are also shaded gray, since perturbative control of our model breaks down there. The contour of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> is also shown for reference.</p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we show the constraints for two representative values, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In both cases, a small region of open parameter space exists near <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and with DM masses of a few hundred MeV. For these values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the vector-portal DM model is bounded from below by the nonperturbative region and is strongly constrained by the CMB <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave annihilation bound and self-interaction limits. The available parameter space sits in the NFDM regime for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn></mml:math></inline-formula> and in the KINDER regime for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The unconstrained regions are similar to those obtained in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c31">[31]</xref> at the high-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> end, but differ at the low-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> end due to the KINDER regime that we have found in this paper.</p><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we show the constraints for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Here, there are two viable regions of parameter space. Both are in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≳</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and are separated by the beam dump constraints: one region in regime III is in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>–</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, while the other is in regimes II and I in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>–</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In this range of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> values, both the self-interaction and CMB <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave annihilation limits are less constraining, allowing more open parameter space than for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. These new limits represent an improved calculation over those found in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c23">[23]</xref>. In particular, most of the available parameter space is not in regime I, as assumed by Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c23">[23]</xref>. In contrast to that work, we find that there is a lower limit of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≳</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> imposed by perturbativity and self-interaction constraints, since (in regime IV) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> needs to become very large at such small values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> in order to achieve the correct DM relic abundance.</p><p>We emphasize that these constraints are derived assuming that the dark sector is in thermal equilibrium with the SM at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which may not be a valid assumption for values smaller than <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mi>eq</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as defined in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d37">(37)</xref>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and below, other mechanisms such as freeze-in can potentially achieve the correct relic abundance without the dark sector ever being in thermal equilibrium with the SM.</p></sec><sec id="s6h"><label>H.</label><title>Lifting CMB and self-interaction constraints with pseudo-Dirac DM</title><p>In the previous subsections, we have demonstrated that the bulk of the parameter space for this class of models with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.2</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula> has been tested by existing observations and experiments for the baseline scenario where the DM is a Dirac fermion. Narrow regions of parameter space remain open, but, for example, regime IV for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula> appears to be fully excluded. However, these exclusions rely critically on constraints from the CMB and from self-interactions, both of which probe the behavior of the DM long after freeze-out. This exclusion is model dependent; it is possible to perturb our baseline model in ways that dramatically alleviate these constraints while leaving the cosmology during the freeze-out epoch essentially unchanged.</p><p>As a specific example, suppose that the DM is a pseudo-Dirac fermion, where at low energies the DM is split into two nearly degenerate Majorana mass eigenstates <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (see, e.g., Refs. <xref ref-type="bibr" rid="c68 c69 c70">[68–70]</xref> for specific models). The gauge interaction between the DM and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mi>A</mml:mi></mml:menclose><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>) then gives rise to interactions of the form <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mi>A</mml:mi></mml:menclose><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>. There is no <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:menclose notation="updiagonalstrike"><mml:mi>A</mml:mi></mml:menclose><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> vertex as Majorana fermions cannot carry a conserved dark charge. The heavier mass eigenstate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> can thus decay to the lighter eigenstate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> via emission of an off-shell <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p><p>When the temperature of the dark sector exceeds the mass splitting between the states, the DM will behave as a Dirac fermion, and thus for a mass splitting <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> throughout freeze-out, our previous cosmological results will still hold. However, once <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≪</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the DM will convert into the lighter-mass eigenstate provided the lifetime of the heavier eigenstate is sufficiently short (even if the lifetime is long, DM-DM scattering can also efficiently deplete the heavier eigenstate). Thus, during the recombination epoch and in galaxies at late times, any process requiring the presence of both mass eigenstates will be strongly suppressed.</p><p>This suppression applies to both the annihilation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> through an <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which determines the CMB constraint<fn id="fn5"><label><sup>5</sup></label><p>The relaxation of CMB bounds for pseudo-Dirac DM is well known; see, e.g., Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c1">[1]</xref>.</p></fn> and to the contribution to the tree-level self-interaction cross section <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> from an <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The contribution to the tree-level self-interaction cross sections from a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> exchange is suppressed for a related reason; if the initial state is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, then the final state (at tree level) can only be <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>, which is kinematically forbidden provided the kinetic energy of DM particles in the halo is much smaller than the mass splitting. There will still be a contribution to the self-interaction cross section at one-loop order, and a CMB signal via <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel annihilation of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula>’s to the three-body final state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="c71">[71]</xref> (as well as possible contributions from the residual <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> abundance), but these rates are parametrically suppressed compared to those relevant for the Dirac case.</p><p>Thus, we expect both the CMB and self-interaction limits to be dramatically relaxed in the pseudo-Dirac case without changing the freeze-out history for mass splittings that are small compared to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> at freeze-out but large compared to the DM temperature during recombination and the kinetic energy of DM particles in present-day halos. This modification opens up allowed parameter space spanning all the freeze-out regimes we have studied; we will present a detailed computation of the modified constraints in future work <xref ref-type="bibr" rid="c72">[72]</xref>.</p></sec></sec><sec id="s7"><label>VII.</label><title>CONCLUSION</title><p>We have fully characterized the possible freeze-out histories of the vector-portal DM model in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d1">(1)</xref> in the region of parameter space in which the DM is a thermal relic, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In this region, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) and kinematically suppressed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) processes play important roles in the thermal freeze-out of the DM. Extending beyond the scope of previous studies <xref ref-type="bibr" rid="c23 c24">[23,24]</xref>, we have explored this model for values of the kinetic mixing parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> where the dark and SM sectors do not remain in kinetic equilibrium throughout the process of DM thermal freeze-out. Doing so reveals a rich set of novel thermal histories, leading to very different dependences of the DM relic abundance on the model parameters.</p><p>We have identified four novel pathways by which thermal freeze-out of the dark sector can proceed, in addition to those identified in previous studies. Two of these pathways share key features and represent a general class of freeze-out histories that we dub the KINDER. In the KINDER scenario, the DM relic abundance is determined primarily by the kinetic decoupling of the dark and SM sectors. KINDER is realized through a process of dark-sector cannibalization, which was previously invoked in the ELDER scenario <xref ref-type="bibr" rid="c17 c18">[17,18]</xref>. In this work, we have demonstrated that cannibalization can be supported by a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> annihilation process involving multiple dark-sector species, and can proceed even in the presence of nonzero dark-sector chemical potentials. ELDER DM can be regarded as an example of a KINDER scenario where the kinetic decoupling is controlled by elastic scattering between the DM and SM.</p><p>We have presented detailed numerical results for the thermal history of the dark sector in each of these new regimes. Additionally, in a number of cases, we have been able to analytically derive the evolution of the dark-sector temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> and dark matter abundance <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> throughout the freeze-out of the DM; this allows us to analytically demonstrate the dependence of the DM relic abundance on the model parameters in much of parameter space.</p><p>The novel freeze-out mechanisms we have characterized and their corresponding distinct regimes of parameter space, can be separated into two main parameter regions in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In the region <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, in addition to the “classic not-forbidden” regime studied in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c24">[24]</xref>, we have identified a realization of KINDER at low values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>In the region <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, in addition to the classic forbidden regime studied in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c23">[23]</xref> (regime I), which is valid at high <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we have identified a second variation of KINDER at very low <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> (regime IV). At intermediate values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we have found two previously unrecognized parameter regimes with distinct freeze-out histories (regimes II and III). In regimes II and III, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> process is fast enough to maintain <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> until all number-changing processes have frozen out. However, during the period after <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out and before <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> freeze-out, this process cannot maintain thermal equilibrium between the DM and SM sectors due to number and energy conservation requirements enforced by the Boltzmann equations. In these regimes, the elastic scattering <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> process controls the heat exchange between the DM and SM sectors after the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process and before the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, while the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process cools the dark sector.</p><p>The distinguishing feature between regimes II and III is the efficiency with which the elastic scattering process heats the dark sector. In regime III, elastic scattering is inefficient, the dark sector is cooled by the kinematically forbidden <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>) process, and the chemical potential of the dark sector is such that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance no longer evolves appreciably after the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out. This leads to a DM relic abundance determined only by the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process, even though the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process is significantly faster. In regime II, in contrast, elastic scattering remains efficient after the freeze-out of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process and can counteract the cooling of the dark sector, allowing continued evolution of the DM density. This leads to a DM relic abundance determined by the interplay of elastic scattering and dark-sector processes.</p><p>The two variations of KINDER we have identified differ in their evolution at late times after the slower dark-sector process freezes out. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, cannibalization continues through the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process until all number-changing processes have frozen out, ensuring a slow evolution of the DM number density after kinetic decoupling. In contrast, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the cannibalization is halted once the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process freezes out. The number-changing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">↔</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> process is still active at this point and cools the dark sector; however, the chemical potential evolves such that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> abundance remains constant regardless.</p><p>We have calculated the relevant experimental constraints on our model. Our results drastically modify those of Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c23">[23]</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (below regime I) and those of Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c24">[24]</xref> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (the NFDM and KINDER regimes). The KINDER mechanism realized in our model implies large self-interaction rates and a large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave annihilation signal in the CMB for symmetric Dirac fermion DM; these limits are in tension with the KINDER regime, although a small window of open parameter space remains for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:math></inline-formula>. There is also available parameter space in regimes II and III for DM masses <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mi>–</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where experiments have not yet explored. In these allowed regions of parameter space, self-interactions can be in the correct range (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>0.1</mml:mn><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>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</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>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) to have observable consequences for the small-scale structure of galaxies without being currently excluded. Our new calculations provide target regions that can be tested by future sub-GeV direct-detection experiments and dark photon searches.</p><p>In this paper, we have presented the baseline scenario of this vector-portal model in which the DM <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a Dirac fermion. In a forthcoming paper <xref ref-type="bibr" rid="c72">[72]</xref>, we will present an alternative to this baseline scenario in which the DM is a pseudo-Dirac fermion, which at low energies splits into two nearly degenerate Majorana mass eigenstates. For the correct range of values of the mass splitting, this scenario shares essentially the same cosmology as the Dirac case, while modifying the late-time cosmology in a way that relaxes both CMB and self-interaction constraints, thus opening windows of parameter space spanning all the novel freeze-out regimes we have presented.</p></sec></body><back><ack><title>ACKNOWLEDGMENTS</title><p>We thank James Cline, Yonit Hochberg, Eric Kuflik, Cristina Mondino, Nadav Outmezguine, Tom Rizzo, Joshua Ruderman, Martin Schmaltz, Oren Slone, and Wei Xue for useful discussions. We especially thank Jae Hyeok Chang for explaining how to recast the SN1987A bounds on vector-portal DM in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c51">[51]</xref>, and the anonymous referee for valuable feedback. P. F. was partially supported by a Graduate Research Fellowship from the U.S. National Science Foundation under Grant No. 1745302. T. R. S. and P. F. are partially supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of High Energy Physics under Grant Contract No. DE-SC0012567. H. L. is supported by the DOE under Contract No. DESC0007968 and the NSF under Grant No. PHY-1915409. Part of this document was prepared by Y.-D. T. using the resources of the Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), a U.S. Department of Energy, Office of Science, HEP User Facility. Fermilab is managed by Fermi Research Alliance, LLC acting under Contract No. DE-AC02-07CH11359. Y.-D. T. is supported by U.S. National Science Foundation (NSF) Theoretical Physics Program, Grant PHY-1915005. Y.-D. T. thanks the Kavli Institute for Theoretical Physics for hospitality, supported in part by the National Science Foundation under Grant No. NSF PHY-1748958, and the Aspen Center for Physics, supported partly by the National Science Foundation grant PHY-1607611, for their hospitality.</p></ack><app-group><app id="app1"><label>APPENDIX A:</label><title>CROSS SECTIONS AND DECAY WIDTHS</title><p>The thermally averaged cross sections and decay widths are computed using the same conventions as in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c31">[31]</xref>. Table <xref ref-type="table" rid="t2">II</xref> gives a list of the relevant cross sections and decay widths used throughout this paper.</p><table-wrap id="t2" specific-use="style-2col"><object-id>II</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevD.106.083517.t2</object-id><label>TABLE II.</label><caption><p>List of cross sections and decay widths for the dark-sector processes considered in this paper. All quantities are evaluated at the kinematic threshold.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="2"><oasis:colspec align="left" colname="col1" colsep="0" colwidth="50%"/><oasis:colspec align="center" colname="col2" colsep="0" colwidth="90%"/><oasis:thead><oasis:row><oasis:entry valign="top">Process</oasis:entry><oasis:entry valign="top">Cross section or decay width</oasis:entry></oasis:row></oasis:thead><oasis:tbody><oasis:row rowsep="0"><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>32</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>167</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>534</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>668</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>512</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>36</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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 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:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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: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:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>64</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>96</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry></oasis:row><oasis:row rowsep="0"><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></oasis:entry><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><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:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry></oasis:row><oasis:row rowsep="0"><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula></oasis:entry><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</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>χ</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:mrow><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:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>4</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:mfrac><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</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>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry></oasis:row><oasis:row rowsep="0"><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula></oasis:entry><oasis:entry><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></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:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo minsize="3ex" stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry></oasis:row></oasis:tbody></oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap></app><app id="app2"><label>APPENDIX B:</label><title>ELASTIC SCATTERING ENERGY TRANSFER RATE</title><p>In this section, we outline the derivation of the elastic scattering energy transfer cross section <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> that appears in the Boltzmann equation for energy density, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref>. For consistency with existing literature, we switch notations within this section so that a subscript <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> denotes quantities for both the DM particle and antiparticle, while a single subscript <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes a quantity associated only with the DM particle alone.</p><p>Following Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref>, the Boltzmann equation for the phase space distribution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> of DM (both <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>) is <disp-formula id="db1"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">∂</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B1)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the collision term, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. Here, we will focus on the elastic scattering collision term, which includes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> scatterings, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a SM fermion, which we take to be the electron throughout this paper for simplicity. From here on, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> should be taken as shorthand for all four of these processes. Explicitly, taking the indices 1 and 3 for incoming and outgoing dark-sector particles, and the indices 2 and 4 for incoming and outgoing SM particles, the collision operator is <disp-formula id="db2"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db2a1">=</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:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></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:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></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:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</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:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><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: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:msub><mml:mrow><mml:mi>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>p</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>p</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>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</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:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B2)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> denoting the phase space distribution of the particle indexed by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>, We follow the conventions of Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c73">[73]</xref>, where the number density of a particle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> is related to its phase space distribution via <disp-formula id="db3"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</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:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(B3)</label></disp-formula>with the number of degrees of freedom of particle <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula> absorbed into the definition of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Furthermore, the matrix element squared is summed over final states but averaged over initial states and is a sum of all four matrix elements squared for the four conjugate processes. The number of degrees of freedom for Dirac fermions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and likewise for the SM fermion <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>; the degrees of freedom of particles and antiparticles are always counted separately. We note that all of these conventions are different from those used in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref>, but the final results are equivalent.</p><p>Following Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref> Eq. (B1), we can multiply Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db1">(B1)</xref> by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>E</mml:mi></mml:math></inline-formula> and integrate over all momenta to obtain <disp-formula id="db4"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></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:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B4)</label></disp-formula>after taking the nonrelativistic approximation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, as found in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref> Eq. (B1).</p><p>Reference <xref ref-type="bibr" rid="c18">[18]</xref> provides an expression assuming that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is relativistic; however, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, electrons are nonrelativistic before the dark sector decouples from the SM. We present here a compact expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> that applies for electrons in all regimes, provided <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Following Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c74">[74]</xref>, we can write the collision term as <disp-formula id="db5"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>·</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∇</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B5)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mo>∇</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the Laplacian and del operators with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, respectively. This expression tacitly assumes a hierarchy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>; for the case of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we can no longer assume the momentum transfer is small, and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db5">(B5)</xref> should be replaced with a full energy transfer calculation. However, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> regime is already subject to strong constraints from BBN and the CMB, so we rely on Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db5">(B5)</xref> and simply caution that our results may not be accurate in this regime.</p><p>The expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is given as <xref ref-type="bibr" rid="c75 c76">[75,76]</xref> <disp-formula id="db6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db6a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</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:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></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>(B6)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msup><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, taking the plus sign when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a fermion,<fn id="fn6"><label><sup>6</sup></label><p>We do not choose a sign for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> to be as general as possible, since the calculation follows equally easily for scattering off a boson.</p></fn> and the matrix element squared is to be evaluated at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>s</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and an average over <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> is performed. Following Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c73">[73]</xref>, we expand the second line of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db6">(B6)</xref> to first order in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and taking <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> to obtain <disp-formula id="db7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">M</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:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db7a1">≃</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</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>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B7)</label></disp-formula>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> in our model, i.e., with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> both Dirac fermions mediated by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, we find <disp-formula id="db8"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db8a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</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:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db8a1">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</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:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B8)</label></disp-formula></p><p>The integral in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db6">(B6)</xref> can be performed analytically without making the relativistic approximation for the SM fermions; the result is <disp-formula id="db9"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><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:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><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:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B9)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>±</mml:mo></mml:msub></mml:math></inline-formula> is defined as <disp-formula id="db10"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db10a1">≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</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:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B10)</label></disp-formula>with <disp-formula id="db11"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Li</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B11)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Li</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the polylogarithm <xref ref-type="bibr" rid="c77">[77]</xref>. We can check that in the relativistic limit for the fermion <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we get <disp-formula id="db12"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="db12a1">≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>!</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db12a1">≡</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>!</mml:mo><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B12)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the Riemann zeta function. This recovers the expression presented in Eq. (B22) of Ref. <xref ref-type="bibr" rid="c73">[73]</xref> after substituting these expressions into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db9">(B9)</xref>.</p><p>In the nonrelativistic limit <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we obtain <disp-formula id="db13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>∓</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B13)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the incomplete Gamma function, <disp-formula id="db14"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</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>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</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>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B14)</label></disp-formula></p><p>With the expression for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db9">(B9)</xref>, we can substitute Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db5">(B5)</xref> into Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db4">(B4)</xref>, and perform the momentum integral, assuming the dark matter follows a Maxwell-Boltzmann phase space distribution. The result is <disp-formula id="db15"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></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:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db15a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</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 stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(B15)</label></disp-formula>We can now define the right-hand side of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="db4">(B4)</xref> as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, giving <disp-formula id="db16"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db16a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><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:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:munderover><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>±</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ξ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B16)</label></disp-formula>To our knowledge, this result is new and is accurate for SM fermions in both the relativistic and nonrelativistic regimes assuming nonrelativistic DM. In the limit where SM fermions are relativistic, we find for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> mediated by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <disp-formula id="db17"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>E</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow other="silent"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="db17a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>32</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>α</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ε</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><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:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:malignmark/><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</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:mfrac><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>!</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>!</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>ζ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(B17)</label></disp-formula></p></app></app-group><ref-list><ref id="c1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>1</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Marco Battaglieri</string-name> <etal/></person-group>, <article-title>US cosmic visions: New ideas in dark matter 2017: Community report</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:1707.04591</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>2</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. S. Akerib</string-name> <etal/> (<collab>LUX Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Results from a Search for Dark Matter in the Complete LUX Exposure</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>118</volume>, <page-range>021303</page-range> (<year>2017</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.118.021303</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>E. Aprile</string-name> <etal/> (<collab>XENON Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Dark Matter Search Results from a One Ton-Year Exposure of XENON1T</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>121</volume>, <page-range>111302</page-range> (<year>2018</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.121.111302</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>R. Agnese</string-name> <etal/> (<collab>SuperCDMS Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Results from the Super Cryogenic Dark Matter Search Experiment at Soudan</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>120</volume>, <page-range>061802</page-range> (<year>2018</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.120.061802</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>Qiuhong Wang</string-name> <etal/> (<collab>PandaX-II Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Results of dark matter search using the full PandaX-II exposure</article-title>, <source>Chin. Phys. C</source> <volume>44</volume>, <page-range>125001</page-range> (<year>2020</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CPCHCQ</pub-id><issn>1674-1137</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1674-1137/abb658</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>F. Bergsma</string-name> <etal/> (<collab>CHARM Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>A search for decays of heavy neutrinos in the mass range 0.5 GeV to 2.8 GeV</article-title>, <source>Phys. Lett.</source> <volume>166B</volume>, <page-range>473</page-range> (<year>1986</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0370-2693(86)91601-1</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>F. Bergsma</string-name> <etal/> (<collab>CHARM Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Search for axion-like particle production in 400-GeV proton-copper interactions</article-title>, <source>Phys. Lett.</source> <volume>157B</volume>, <page-range>458</page-range> (<year>1985</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0370-2693(85)90400-9</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>A. Konaka</string-name> <etal/></person-group>, <article-title>Search for Neutral Particles in Electron-Beam-Dump Experiment</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>57</volume>, <page-range>659</page-range> (<year>1986</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.57.659</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>J. D. Bjorken</string-name>, <string-name>S. Ecklund</string-name>, <string-name>W. R. Nelson</string-name>, <string-name>A. Abashian</string-name>, <string-name>C. Church</string-name>, <string-name>B. Lu</string-name>, <string-name>L. W. Mo</string-name>, <string-name>T. A. Nunamaker</string-name>, and <string-name>P. Rassmann</string-name></person-group>, <article-title>Search for neutral metastable penetrating particles produced in the SLAC beam dump</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>38</volume>, <page-range>3375</page-range> (<year>1988</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.38.3375</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>M. Davier</string-name> and <string-name>H. Nguyen Ngoc</string-name></person-group>, <article-title>An unambiguous search for a light Higgs boson</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>229</volume>, <page-range>150</page-range> (<year>1989</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0370-2693(89)90174-3</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. Blumlein</string-name> <etal/></person-group>, <article-title>Limits on neutral light scalar and pseudoscalar particles in a proton beam dump experiment</article-title>, <source>Z. Phys. C</source> <volume>51</volume>, <page-range>341</page-range> (<year>1991</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ZPCFD2</pub-id><issn>0170-9739</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/BF01548556</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>J. Blumlein</string-name> <etal/></person-group>, <article-title>Limits on the mass of light (pseudo)scalar particles from Bethe-Heitler <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> pair production in a proton-iron beam dump experiment</article-title>, <source>Int. J. Mod. Phys. A</source> <volume>07</volume>, <page-range>3835</page-range> (<year>1992</year>).<pub-id pub-id-type="coden">IMPAEF</pub-id><issn>0217-751X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1142/S0217751X9200171X</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>13</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Banerjee</string-name> <etal/> (<collab>NA64 Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Search for a New X(16.7) Boson and Dark Photons in the NA64 Experiment at CERN</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>120</volume>, <page-range>231802</page-range> (<year>2018</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.120.231802</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>J. R. Batley</string-name> <etal/> (<collab>NA48/2 Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Search for the dark photon in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> decays</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>746</volume>, <page-range>178</page-range> (<year>2015</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.2015.04.068</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>Yu-Dai Tsai</string-name>, <string-name>Patrick deNiverville</string-name>, and <string-name>Ming Xiong Liu</string-name></person-group>, <article-title>The High-Energy Frontier of the Intensity Frontier: Closing the Dark Photon, Inelastic Dark Matter, and Muon g-2 Windows</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>126</volume>, <page-range>181801</page-range> (<year>2021</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.126.181801</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>Yonit Hochberg</string-name>, <string-name>Eric Kuflik</string-name>, <string-name>Tomer Volansky</string-name>, and <string-name>Jay G. Wacker</string-name></person-group>, <article-title>Mechanism for Thermal Relic Dark Matter of Strongly Interacting Massive Particles</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>113</volume>, <page-range>171301</page-range> (<year>2014</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.113.171301</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>Eric Kuflik</string-name>, <string-name>Maxim Perelstein</string-name>, <string-name>Nicolas Rey-Le Lorier</string-name>, and <string-name>Yu-Dai Tsai</string-name></person-group>, <article-title>Elastically Decoupling Dark Matter</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>116</volume>, <page-range>221302</page-range> (<year>2016</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.116.221302</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>Eric Kuflik</string-name>, <string-name>Maxim Perelstein</string-name>, <string-name>Nicolas Rey-Le Lorier</string-name>, and <string-name>Yu-Dai Tsai</string-name></person-group>, <article-title>Phenomenology of ELDER dark matter</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>08</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>078</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)078</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>Eric D. Carlson</string-name>, <string-name>Marie E. Machacek</string-name>, and <string-name>Lawrence J. Hall</string-name></person-group>, <article-title>Self-interacting dark matter</article-title>, <source>Astrophys. J.</source> <volume>398</volume>, <page-range>43</page-range> (<year>1992</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ASJOAB</pub-id><issn>0004-637X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1086/171833</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>Bob Holdom</string-name></person-group>, <article-title>Two U(1)’s and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ε</mml:mi></mml:math></inline-formula> charge shifts</article-title>, <source>Phys. Lett.</source> <volume>166B</volume>, <page-range>196</page-range> (<year>1986</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PYLBAJ</pub-id><issn>0370-2693</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0370-2693(86)91377-8</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>Cristina Mondino</string-name>, <string-name>Maxim Pospelov</string-name>, <string-name>Joshua T. Ruderman</string-name>, and <string-name>Oren Slone</string-name></person-group>, <article-title>Dark Higgs dark matter</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>103</volume>, <page-range>035027</page-range> (<year>2021</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.103.035027</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>Kim Griest</string-name> and <string-name>David Seckel</string-name></person-group>, <article-title>Three exceptions in the calculation of relic abundances</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>43</volume>, <page-range>3191</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.43.3191</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>Raffaele Tito D’Agnolo</string-name> and <string-name>Joshua T. Ruderman</string-name></person-group>, <article-title>Light Dark Matter from Forbidden Channels</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>115</volume>, <page-range>061301</page-range> (<year>2015</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.115.061301</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>James M. Cline</string-name>, <string-name>Hongwan Liu</string-name>, <string-name>Tracy R. Slatyer</string-name>, and <string-name>Wei Xue</string-name></person-group>, <article-title>Enabling forbidden dark matter</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>96</volume>, <page-range>083521</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.96.083521</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>N. Aghanim</string-name> <etal/> (<collab>Planck Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters</article-title>, <source>Astron. Astrophys.</source> <volume>641</volume>, <page-range>A6</page-range> (<year>2020</year>).<pub-id pub-id-type="coden">AAEJAF</pub-id><issn>0004-6361</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1051/0004-6361/201833910</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>Tony Gherghetta</string-name>, <string-name>Jörn Kersten</string-name>, <string-name>Keith Olive</string-name>, and <string-name>Maxim Pospelov</string-name></person-group>, <article-title>Evaluating the price of tiny kinetic mixing</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>100</volume>, <page-range>095001</page-range> (<year>2019</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.100.095001</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>Marco Cirelli</string-name>, <string-name>Paolo Panci</string-name>, <string-name>Kalliopi Petraki</string-name>, <string-name>Filippo Sala</string-name>, and <string-name>Marco Taoso</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter’s secret liaisons: Phenomenology of a dark U(1) sector with bound states</article-title>, <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="c28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>28</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Tobias Binder</string-name>, <string-name>Torsten Bringmann</string-name>, <string-name>Michael Gustafsson</string-name>, and <string-name>Andrzej Hryczuk</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter relic abundance beyond kinetic equilibrium</article-title>, <source>Eur. Phys. J. C</source> <volume>81</volume>, <page-range>577</page-range> (<year>2021</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/s10052-021-09357-5</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>Joakim Edsjo</string-name> and <string-name>Paolo Gondolo</string-name></person-group>, <article-title>Neutralino relic density including coannihilations</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>56</volume>, <page-range>1879</page-range> (<year>1997</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.56.1879</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>Raffaele Tito D’Agnolo</string-name> and <string-name>Joshua T. Ruderman</string-name></person-group>, <article-title>Light Dark Matter from Forbidden Channels</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>115</volume>, <page-range>061301</page-range> (<year>2015</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.115.061301</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>James M. Cline</string-name>, <string-name>Hongwan Liu</string-name>, <string-name>Tracy Slatyer</string-name>, and <string-name>Wei Xue</string-name></person-group>, <article-title>Enabling forbidden dark matter</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>96</volume>, <page-range>083521</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.96.083521</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>Eric D. Carlson</string-name>, <string-name>Marie E. Machacek</string-name>, and <string-name>Lawrence J. Hall</string-name></person-group>, <article-title>Self-interacting dark matter</article-title>, <source>Astrophys. J.</source> <volume>398</volume>, <page-range>43</page-range> (<year>1992</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ASJOAB</pub-id><issn>0004-637X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1086/171833</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>Duccio Pappadopulo</string-name>, <string-name>Joshua T. Ruderman</string-name>, and <string-name>Gabriele Trevisan</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter freeze-out in a nonrelativistic sector</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>94</volume>, <page-range>035005</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.94.035005</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>Marco Farina</string-name>, <string-name>Duccio Pappadopulo</string-name>, <string-name>Joshua T. Ruderman</string-name>, and <string-name>Gabriele Trevisan</string-name></person-group>, <article-title>Phases of cannibal dark matter</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>12</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>039</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/JHEP12(2016)039</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>Jared A. Evans</string-name>, <string-name>Stefania Gori</string-name>, and <string-name>Jessie Shelton</string-name></person-group>, <article-title>Looking for the WIMP next door</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>100</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)100</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>S. N. Gninenko</string-name></person-group>, <article-title>Stringent limits on the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> decay from neutrino experiments and constraints on new light gauge bosons</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>85</volume>, <page-range>055027</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.85.055027</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. N. Gninenko</string-name></person-group>, <article-title>Constraints on sub-GeV hidden sector gauge bosons from a search for heavy neutrino decays</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>713</volume>, <page-range>244</page-range> (<year>2012</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.2012.06.002</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>Philip Ilten</string-name>, <string-name>Yotam Soreq</string-name>, <string-name>Jesse Thaler</string-name>, <string-name>Mike Williams</string-name>, and <string-name>Wei Xue</string-name></person-group>, <article-title>Proposed Inclusive Dark Photon Search at LHCb</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>116</volume>, <page-range>251803</page-range> (<year>2016</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.116.251803</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>Roel Aaij</string-name> <etal/> (<collab>LHCb Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Search for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> Decays</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>124</volume>, <page-range>041801</page-range> (<year>2020</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.124.041801</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>E. Aprile</string-name> <etal/> (<collab>XENON Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Light Dark Matter Search with Ionization Signals in XENON1T</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>123</volume>, <page-range>251801</page-range> (<year>2019</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.123.251801</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>Liron Barak</string-name> <etal/> (<collab>SENSEI Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>SENSEI: Direct-Detection Results on sub-GeV Dark Matter from a New Skipper-CCD</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>125</volume>, <page-range>171802</page-range> (<year>2020</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.125.171802</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>P. Agnes</string-name> <etal/> (<collab>DarkSide Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Constraints on sub-GeV Dark-Matter–Electron Scattering from the DarkSide-50 Experiment</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>121</volume>, <page-range>111303</page-range> (<year>2018</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.121.111303</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>E. Aprile</string-name> <etal/> (<collab>XENON Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Search for Light Dark Matter Interactions Enhanced by the Migdal Effect or Bremsstrahlung in XENON1T</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>123</volume>, <page-range>241803</page-range> (<year>2019</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.123.241803</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>Daniel Baxter</string-name>, <string-name>Yonatan Kahn</string-name>, and <string-name>Gordan Krnjaic</string-name></person-group>, <article-title>Electron ionization via dark matter-electron scattering and the Migdal effect</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>101</volume>, <page-range>076014</page-range> (<year>2020</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.101.076014</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>D. W. Amaral</string-name> <etal/> (<collab>SuperCDMS Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Constraints on low-mass, relic dark matter candidates from a surface-operated SuperCDMS single-charge sensitive detector</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>102</volume>, <page-range>091101</page-range> (<year>2020</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.102.091101</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>Georg Raffelt</string-name> and <string-name>David Seckel</string-name></person-group>, <article-title>Bounds on Exotic Particle Interactions from SN 1987a</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>60</volume>, <page-range>1793</page-range> (<year>1988</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.60.1793</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c47"><label>[47]</label><mixed-citation publication-type="book"><object-id>47</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. G. Raffelt</string-name></person-group>, <source>Stars as Laboratories for Fundamental Physics</source> (<publisher-name>University of Chicago Press</publisher-name>, Chicago, <year>1996</year>).</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>A. Burrows</string-name> and <string-name>J. M. Lattimer</string-name></person-group>, <article-title>The birth of neutron stars</article-title>, <source>Astrophys. J.</source> <volume>307</volume>, <page-range>178</page-range> (<year>1986</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ASJOAB</pub-id><issn>0004-637X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1086/164405</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>Adam Burrows</string-name> and <string-name>James M. Lattimer</string-name></person-group>, <article-title>Neutrinos from SN 1987A</article-title>, <source>Astrophys. J. Lett.</source> <volume>318</volume>, <page-range>L63</page-range> (<year>1987</year>).<pub-id pub-id-type="coden">AJLEEY</pub-id><issn>2041-8213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1086/184938</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>Nitsan Bar</string-name>, <string-name>Kfir Blum</string-name>, and <string-name>Guido D’Amico</string-name></person-group>, <article-title>Is there a supernova bound on axions?</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>101</volume>, <page-range>123025</page-range> (<year>2020</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.101.123025</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>Jae Hyeok Chang</string-name>, <string-name>Rouven Essig</string-name>, and <string-name>Samuel D. McDermott</string-name></person-group>, <article-title>Supernova 1987A constraints on sub-GeV dark sectors, millicharged particles, the QCD axion, and an axion-like particle</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>09</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>051</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/JHEP09(2018)051</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>Kyrylo Bondarenko</string-name>, <string-name>Anastasia Sokolenko</string-name>, <string-name>Alexey Boyarsky</string-name>, <string-name>Andrew Robertson</string-name>, <string-name>David Harvey</string-name>, and <string-name>Yves Revaz</string-name></person-group>, <article-title>From dwarf galaxies to galaxy clusters: Self-interacting dark matter over 7 orders of magnitude in halo mass</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2021</volume>) <page-range>043</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">10.1088/1475-7516/2021/01/043</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c53"><label>[53]</label><mixed-citation publication-type="thesis"><object-id>53</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Jason Pollack</string-name></person-group>, <article-title>Supermassive black holes from gravothermal collapse of fractional self-interacting dark matter halos</article-title>, bachelor’s thesis, <institution>Princeton University</institution>, <year>2012</year>.</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>Tracy R. Slatyer</string-name></person-group>, <article-title>Indirect dark matter signatures in the cosmic dark ages. I. Generalizing the bound on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave dark matter annihilation from Planck results</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>93</volume>, <page-range>023527</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.93.023527</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>Y. I. Izotov</string-name>, <string-name>T. X. Thuan</string-name>, and <string-name>N. G. Guseva</string-name></person-group>, <article-title>A new determination of the primordial He abundance using the He i <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mn>10830</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>Å</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> emission line: Cosmological implications</article-title>, <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>445</volume>, <page-range>778</page-range> (<year>2014</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/stu1771</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>Erik Aver</string-name>, <string-name>Keith A. Olive</string-name>, and <string-name>Evan D. Skillman</string-name></person-group>, <article-title>The effects of He I <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mn>10830</mml:mn></mml:math></inline-formula> on helium abundance determinations</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2015</volume>) <page-range>011</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">10.1088/1475-7516/2015/07/011</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>Ryan J. Cooke</string-name>, <string-name>Max Pettini</string-name>, and <string-name>Charles C. Steidel</string-name></person-group>, <article-title>One percent determination of the primordial deuterium abundance</article-title>, <source>Astrophys. J.</source> <volume>855</volume>, <page-range>102</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ASJOAB</pub-id><issn>0004-637X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.3847/1538-4357/aaab53</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>E. O. Zavarygin</string-name>, <string-name>J. K. Webb</string-name>, <string-name>S. Riemer-Sørensen</string-name>, and <string-name>V. Dumont</string-name></person-group>, <article-title>Primordial deuterium abundance at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>:</mml:mo><mml:mn>504</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> towards <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Q</mml:mi><mml:mn>1009</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2956</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></article-title>, <source>J. Phys. Conf. Ser.</source> <volume>1038</volume>, <page-range>012012</page-range> (<year>2018</year>).<pub-id pub-id-type="coden">JPCSDZ</pub-id><issn>1742-6588</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1742-6596/1038/1/012012</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>Mabel Valerdi</string-name>, <string-name>Antonio Peimbert</string-name>, <string-name>Manuel Peimbert</string-name>, and <string-name>Andrés Sixtos</string-name></person-group>, <article-title>Determination of the primordial helium abundance based on NGC 346, an H ii region of the small magellanic cloud</article-title>, <source>Astrophys. J.</source> <volume>876</volume>, <page-range>98</page-range> (<year>2019</year>).<pub-id pub-id-type="coden">ASJOAB</pub-id><issn>0004-637X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.3847/1538-4357/ab14e4</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>Céline Boehm</string-name>, <string-name>Matthew J. Dolan</string-name>, and <string-name>Christopher McCabe</string-name></person-group>, <article-title>A lower bound on the mass of cold thermal dark matter from Planck</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>08</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>041</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">10.1088/1475-7516/2013/08/041</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>Nashwan Sabti</string-name>, <string-name>James Alvey</string-name>, <string-name>Miguel Escudero</string-name>, <string-name>Malcolm Fairbairn</string-name>, and <string-name>Diego Blas</string-name></person-group>, <article-title>Refined bounds on MeV-scale thermal dark sectors from BBN and the CMB</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2020</volume>) <page-range>004</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">10.1088/1475-7516/2020/01/004</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>Kenneth M. Nollett</string-name> and <string-name>Gary Steigman</string-name></person-group>, <article-title>BBN and the CMB constrain light, electromagnetically coupled WIMPs</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>89</volume>, <page-range>083508</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.89.083508</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>Kevork N. Abazajian</string-name></person-group>, <article-title>Sterile neutrinos in cosmology</article-title>, <source>Phys. Rep.</source> <volume>711–712</volume>, <page-range>1</page-range> (<year>2017</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.2017.10.003</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>M. Drewes</string-name> <etal/></person-group>, <article-title>A white paper on keV sterile neutrino dark matter</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>025</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">10.1088/1475-7516/2017/01/025</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>Vid Iršič</string-name> <etal/></person-group>, <article-title>New constraints on the free-streaming of warm dark matter from intermediate and small scale Lyman-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> forest data</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>96</volume>, <page-range>023522</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.96.023522</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>Nathalie Palanque-Delabrouille</string-name>, <string-name>Christophe Yèche</string-name>, <string-name>Nils Schöneberg</string-name>, <string-name>Julien Lesgourgues</string-name>, <string-name>Michael Walther</string-name>, <string-name>Solène Chabanier</string-name>, and <string-name>Eric Armengaud</string-name></person-group>, <article-title>Hints, neutrino bounds and WDM constraints from SDSS DR14 Lyman-<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>α</mml:mi></mml:math></inline-formula> and Planck full-survey data</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>04</issue> (<volume>2020</volume>) <page-range>038</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">10.1088/1475-7516/2020/04/038</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>Aurel Schneider</string-name>, <string-name>Robert E. Smith</string-name>, and <string-name>Darren Reed</string-name></person-group>, <article-title>Halo mass function and the free streaming scale</article-title>, <source>Mon. Not. R. Astron. Soc.</source> <volume>433</volume>, <page-range>1573</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/stt829</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c68"><label>[68]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>68</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Douglas P. Finkbeiner</string-name> and <string-name>Neal Weiner</string-name></person-group>, <article-title>Exciting dark matter and the INTEGRAL/SPI 511 keV signal</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>76</volume>, <page-range>083519</page-range> (<year>2007</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.76.083519</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c69"><label>[69]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>69</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Douglas P. Finkbeiner</string-name>, <string-name>Lisa Goodenough</string-name>, <string-name>Tracy R. Slatyer</string-name>, <string-name>Mark Vogelsberger</string-name>, and <string-name>Neal Weiner</string-name></person-group>, <article-title>Consistent scenarios for cosmic-ray excesses from Sommerfeld-enhanced dark matter annihilation</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2011</volume>) <page-range>002</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">10.1088/1475-7516/2011/05/002</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>Gilly Elor</string-name>, <string-name>Hongwan Liu</string-name>, <string-name>Tracy R. Slatyer</string-name>, and <string-name>Yotam Soreq</string-name></person-group>, <article-title>Complementarity for dark sector bound states</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>98</volume>, <page-range>036015</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.98.036015</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>Thomas G. Rizzo</string-name></person-group>, <article-title>Dark initial state radiation and the kinetic mixing portal</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2021</volume>) <page-range>079</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(2021)079</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c72"><label>[72]</label><mixed-citation publication-type="misc"><object-id>72</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Patrick Fitzpatrick</string-name>, <string-name>Hongwan Liu</string-name>, <string-name>Tracy R. Slatyer</string-name>, and <string-name>Yu-Dai Tsai</string-name></person-group>, <article-title>New thermal relic targets for inelastic vector-portal dark matter</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2105.05255</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c73"><label>[73]</label><mixed-citation id="c73a" publication-type="journal"><object-id>73a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Torsten Bringmann</string-name> and <string-name>Stefan Hofmann</string-name></person-group>, <article-title>Thermal decoupling of WIMPs from first principles</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>04</issue> (<volume>2007</volume>) <page-range>016</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">10.1088/1475-7516/2007/04/016</pub-id></mixed-citation><mixed-citation id="c73b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>73b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Torsten Bringmann</string-name> and <string-name>Stefan Hofmann</string-name></person-group><source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source><issue>03</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>E02</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">10.1088/1475-7516/2016/03/E02</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>Torsten Bringmann</string-name></person-group>, <article-title>Particle models and the small-scale structure of dark matter</article-title>, <source>New J. Phys.</source> <volume>11</volume>, <page-range>105027</page-range> (<year>2009</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NJOPFM</pub-id><issn>1367-2630</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1367-2630/11/10/105027</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>Tobias Binder</string-name>, <string-name>Laura Covi</string-name>, <string-name>Ayuki Kamada</string-name>, <string-name>Hitoshi Murayama</string-name>, <string-name>Tomo Takahashi</string-name>, and <string-name>Naoki Yoshida</string-name></person-group>, <article-title>Matter power spectrum in hidden neutrino interacting dark matter models: A closer look at the collision term</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>11</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>043</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">10.1088/1475-7516/2016/11/043</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c76"><label>[76]</label><mixed-citation id="c76a" publication-type="journal"><object-id>76a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Tobias Binder</string-name>, <string-name>Torsten Bringmann</string-name>, <string-name>Michael Gustafsson</string-name>, and <string-name>Andrzej Hryczuk</string-name></person-group>, <article-title>Early kinetic decoupling of dark matter: When the standard way of calculating the thermal relic density fails</article-title>, <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><mixed-citation id="c76b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>76b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>Tobias Binder</string-name>, <string-name>Torsten Bringmann</string-name>, <string-name>Michael Gustafsson</string-name>, and <string-name>Andrzej Hryczuk</string-name></person-group><source>Phys. Rev. D</source><volume>101</volume>, <page-range>099901(E)</page-range> (<year>2020</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.101.099901</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>Hongwan Liu</string-name>, <string-name>Gregory W. Ridgway</string-name>, and <string-name>Tracy R. Slatyer</string-name></person-group>, <article-title>Code package for calculating modified cosmic ionization and thermal histories with dark matter and other exotic energy injections</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>101</volume>, <page-range>023530</page-range> (<year>2020</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.101.023530</pub-id></mixed-citation></ref></ref-list></back></article>
