<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD with OASIS Tables with MathML3 v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing-oasis-article1-3-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">10.1103/7g3h-kwdl</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="toc-major"><subject>ARTICLES</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="toc-minor"><subject>Beyond the standard model</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Charting WIMP territories at the neutrino floor</article-title><alt-title alt-title-type="running-title">CHARTING WIMP TERRITORIES AT THE NEUTRINO FLOOR</alt-title><alt-title alt-title-type="running-author">ARCADI, LINDNER, AND PROFUMO</alt-title></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-1481-7017</contrib-id><name><surname>Arcadi</surname><given-names>Giorgio</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a1 a2"><sup>1,2</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n1"><sup>,*</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-3704-6016</contrib-id><name><surname>Lindner</surname><given-names>Manfred</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a3"><sup>3</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n2"><sup>,†</sup></xref></contrib><contrib contrib-type="author"><contrib-id authenticated="true" contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-9159-7556</contrib-id><name><surname>Profumo</surname><given-names>Stefano</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="a4 a5"><sup>4,5</sup></xref><xref ref-type="author-notes" rid="n3"><sup>,‡</sup></xref></contrib><aff id="a1"><label><sup>1</sup></label>Dipartimento di Scienze Matematiche e Informatiche, Scienze Fisiche e Scienze della Terra, <institution-wrap><institution>Universita degli Studi di Messina</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/05ctdxz19</institution-id></institution-wrap>, Viale Ferdinando Stagno d’Alcontres 31, I-98166 Messina, Italy</aff><aff id="a2"><label><sup>2</sup></label><institution-wrap><institution>INFN Sezione di Catania</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/02pq29p90</institution-id></institution-wrap>, Via Santa Sofia 64, I-95123 Catania, Italy</aff><aff id="a3"><label><sup>3</sup></label><institution-wrap><institution>Max Planck Institut für Kernphysik</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/052d0h423</institution-id></institution-wrap>, Saupfercheckweg 1, D-69117 Heidelberg, Germany</aff><aff id="a4"><label><sup>4</sup></label>Department of Physics, <institution-wrap><institution>University of California</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/03s65by71</institution-id></institution-wrap>, Santa Cruz, 1156 High Street, Santa Cruz, California 95060, USA</aff><aff id="a5"><label><sup>5</sup></label><institution>Santa Cruz Institute for Particle Physics</institution>, <institution-wrap><institution>University of California</institution><institution-id institution-id-type="ror">https://ror.org/03s65by71</institution-id></institution-wrap>, Santa Cruz, 1156 High Street, Santa Cruz, California 95060, USA</aff></contrib-group><author-notes><fn id="n1"><label><sup>*</sup></label><p>Contact author: <email>giorgio.arcadi@unime.it</email></p></fn><fn id="n2"><label><sup>†</sup></label><p>Contact author: <email>lindner@mpi-hd.mpg.de</email></p></fn><fn id="n3"><label><sup>‡</sup></label><p>Contact author: <email>profumo@ucsc.edu</email></p></fn></author-notes><pub-date iso-8601-date="2026-01-06" date-type="pub" publication-format="electronic"><day>6</day><month>January</month><year>2026</year></pub-date><pub-date iso-8601-date="2026-01-01" date-type="pub" publication-format="print"><day>1</day><month>January</month><year>2026</year></pub-date><volume>113</volume><issue>1</issue><elocation-id>015005</elocation-id><pub-history><event><date iso-8601-date="2025-08-03" date-type="received"><day>3</day><month>August</month><year>2025</year></date></event><event><date iso-8601-date="2025-12-17" date-type="accepted"><day>17</day><month>December</month><year>2025</year></date></event></pub-history><permissions><copyright-statement>Published by the American Physical Society</copyright-statement><copyright-year>2026</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><related-article ext-link-type="doi" xlink:href="10.48550/arXiv.2507.16987" related-article-type="preprint"/><abstract><p>We establish comprehensive theoretical benchmarks for weakly interacting massive particles (WIMPs) accessible to ultimate direct detection experiments, focusing on the challenging parameter space between current experimental limits and the irreducible neutrino background. We systematically examine both thermal freeze-out and freeze-in production mechanisms across a range of simplified dark matter models, including <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel scalar and vector portals, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel mediator scenarios, and electroweakly interacting multiplets. For thermal relics, we identify parameter regions where suppressed direct detection cross sections naturally arise through momentum-dependent interactions and blind-spot configurations, while maintaining the correct relic abundance. We extensively investigate freeze-in scenarios, demonstrating how feebly interacting massive particles in portal models can populate experimentally accessible parameter space despite their ultraweak couplings. Additionally, we explore how nonstandard cosmological histories—including early matter domination and fast-expanding Universe scenarios—can dramatically alter the relationship between relic density and detection prospects, opening new avenues for discovery. Our analysis provides a roadmap for next-generation experiments approaching the neutrino floor, highlighting complementary detection strategies and identifying the most promising theoretical targets for ultimate sensitivity dark matter searches. These benchmarks establish the theoretical foundation for the final push toward comprehensive coverage of well-motivated WIMP parameter space.</p></abstract><funding-group><award-group award-type="unspecified"><funding-source country="DE"><institution-wrap><institution>Deutscher Akademischer Austauschdienst</institution><institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open-funder-registry">10.13039/501100001655</institution-id></institution-wrap></funding-source></award-group><award-group award-type="grant"><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>de-sc0010107</award-id></award-group></funding-group><counts><page-count count="24"/></counts></article-meta></front><body><sec id="s1"><label>I.</label><title>INTRODUCTION</title><p>The nature of dark matter remains one of the most profound puzzles in modern physics, with compelling evidence from cosmological observations indicating that approximately 85% of the matter content of the Universe consists of nonluminous, nonbaryonic particles. Among the leading theoretical candidates, weakly interacting massive particles (WIMPs) have emerged as particularly well motivated due to the remarkable coincidence that particles with weak-scale masses and interactions naturally produce the observed dark matter relic density through thermal freeze-out—a phenomenon often referred to as the “WIMP miracle.” This mechanism predicts that dark matter particles were initially in thermal equilibrium with Standard Model particles in the early Universe, subsequently decoupling when their annihilation rate fell below the Hubble expansion rate, leaving behind a relic abundance that matches observations for cross sections of order <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:mn>3</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>26</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><p>Direct detection experiments have made extraordinary progress in probing WIMP-nucleon interactions, with successive generations of increasingly sensitive detectors pushing the experimental frontier toward ever-smaller cross sections <xref ref-type="bibr" rid="c1 c2">[1,2]</xref>. Current world-leading experiments such as LUX-ZEPLIN (LZ) and XENONnT have achieved sensitivities approaching <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>47</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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:math></inline-formula> for spin-independent WIMP-nucleon scattering, while next-generation multiton-scale detectors like DARWIN/XLZD promise to extend this reach by another order of magnitude. However, these experiments are rapidly approaching a fundamental limit known as the neutrino floor or neutrino fog, where coherent elastic neutrino-nucleus scattering from astrophysical sources creates an irreducible background that mimics the expected WIMP signal <xref ref-type="bibr" rid="c3 c4 c5">[3–5]</xref>.</p><p>The impending approach to the neutrino floor necessitates a comprehensive theoretical framework to identify the most promising WIMP scenarios that remain accessible to ultimate direct detection experiments. This challenge is compounded by the recognition that traditional thermal freeze-out models, while elegantly simple, represent only one possible mechanism for dark matter production. Alternative scenarios, including freeze-in production of feebly interacting massive particles (FIMPs) <xref ref-type="bibr" rid="c6 c7 c8">[6–8]</xref> and dark matter generation in nonstandard cosmological histories <xref ref-type="bibr" rid="c9 c10">[9,10]</xref>, can dramatically alter the relationship between relic abundance and direct detection cross sections, potentially opening new windows for discovery.</p><p>Simplified dark matter models have emerged as powerful theoretical tools for systematic exploration of the WIMP parameter space, providing model-independent frameworks that capture the essential physics while avoiding the complexities of full ultraviolet completions <xref ref-type="bibr" rid="c11">[11]</xref>. These models typically feature a dark matter candidate coupled to Standard Model particles through various portal interactions, including scalar (Higgs portal), vector (dark photon), and fermion (sterile neutrino) mediators. Such frameworks enable systematic mapping of the complementarity between different experimental approaches—direct detection, indirect detection, and collider searches—while maintaining theoretical rigor and predictive power.</p><p>The theoretical landscape becomes considerably richer when considering departures from the standard thermal freeze-out paradigm. Freeze-in scenarios, where dark matter is produced through the extremely feeble interactions of particles that never achieve thermal equilibrium, naturally accommodate ultrasmall couplings that would be challenging to probe experimentally <xref ref-type="bibr" rid="c12 c13">[12,13]</xref>. These models predict distinctive relationships between production mechanisms and detection prospects, often requiring dedicated analysis techniques to properly account for the nonthermal nature of the dark matter distribution. Similarly, nonstandard cosmological histories—such as early matter domination phases or periods of accelerated expansion—can significantly modify the freeze-out dynamics, leading to viable dark matter candidates with properties that differ substantially from standard expectations <xref ref-type="bibr" rid="c14 c15">[14,15]</xref>.</p><p>Electroweak multiplet dark matter models represent a particularly compelling class of WIMP candidates, as they emerge naturally from extensions of the Standard Model gauge structure and provide concrete predictions with minimal free parameters <xref ref-type="bibr" rid="c16 c17 c18">[16–18]</xref>. The so-called “minimal dark matter” scenarios, featuring pure <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> multiplets with specific hypercharge assignments, offer fully predictive frameworks where the dark matter mass and interaction strength are determined by the electroweak quantum numbers alone <xref ref-type="bibr" rid="c19 c20">[19,20]</xref>. These models exemplify the type of well-motivated theoretical targets that next-generation experiments should prioritize.</p><p>Recent developments in both experimental techniques and theoretical understanding have highlighted the critical importance of loop-induced effects and radiative corrections in determining direct detection prospects. Many theoretically attractive scenarios feature suppressed tree-level interactions with nucleons, either through spin/momentum dependencies or accidental cancellations, making loop contributions the dominant source of detectable signals <xref ref-type="bibr" rid="c21">[21]</xref>. Understanding these quantum corrections is essential for making reliable predictions about the ultimate reach of direct detection experiments.</p><p>The approach to the neutrino floor also motivates exploration of complementary experimental strategies, including directional detection capabilities that can potentially distinguish between neutrino- and WIMP-induced nuclear recoils based on the expected anisotropy of the WIMP signal <xref ref-type="bibr" rid="c22 c23">[22,23]</xref>. Multitarget approaches, employing different detector materials with varying response functions, offer another promising avenue for breaking the degeneracy between neutrino backgrounds and potential WIMP signals <xref ref-type="bibr" rid="c24 c25">[24,25]</xref>.</p><p>In this work, we establish comprehensive theoretical benchmarks for WIMP dark matter that remain accessible to ultimate direct detection experiments operating at or near the neutrino floor. We systematically examine representative simplified models spanning the major portal scenarios, carefully analyzing both thermal and nonthermal production mechanisms while accounting for the full range of theoretical uncertainties. Our analysis incorporates the latest constraints from current experiments while projecting sensitivity reaches for next-generation detectors, providing a roadmap for the final phase of the direct detection experimental program. Through detailed investigation of nonstandard cosmological scenarios and careful treatment of radiative corrections, we identify the most promising theoretical targets for ultimate sensitivity searches and establish the foundations for interpreting results from experiments approaching the fundamental limits of current detection technology.</p></sec><sec id="s2"><label>II.</label><title>BENCHMARK MODELS</title><p>The theoretical landscape of dark matter (DM) phenomenology has evolved to embrace a diverse array of production mechanisms beyond the traditional thermal freeze-out paradigm. While freeze-out remains a compelling framework due to its natural connection between annihilation and relic abundance, the increasingly stringent constraints from direct detection experiments have motivated the exploration of alternative scenarios. Among these, freeze-in production mechanisms have gained particular attention, offering potentially viable pathways to the observed DM relic density while maintaining compatibility with experimental bounds.</p><p>Portal models represent a particularly elegant framework for investigating these diverse production scenarios. By connecting the dark sector to the Standard Model through well-motivated mediators, these models provide a systematic approach to understanding the interplay between DM production, relic density constraints, and detection prospects. The simplicity of portal interactions allows for analytical insights while maintaining sufficient complexity to capture the essential physics of DM phenomenology.</p><p>In this section, we examine several representative portal models, each illustrating distinct aspects of the relationship between DM production mechanisms and experimental signatures. Our analysis encompasses both scalar and fermionic DM candidates, coupled through various mediator types, providing a comprehensive survey of the theoretical possibilities. We pay particular attention to the tension between achieving the correct relic abundance through thermal freeze-out and avoiding exclusion by direct detection experiments, demonstrating how this tension motivates alternative production mechanisms.</p><p>As already pointed out, portal models allow us to exploit different DM production scenarios, ranging from the conventional freeze-out paradigm to freeze-in mechanisms. We consider several relevant examples of these scenarios, each characterized by a distinctive interplay between DM relic density requirements and detection strategies: <list list-type="roman-lower"><list-item><label>(i)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model scalar DM: This model considers a real scalar <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> singlet DM candidate<fn id="fn1"><label><sup>1</sup></label><p>We focus here on a real scalar, motivated by simplicity. The case of a complex DM candidate would present only negligible differences.</p></fn> interacting with a spin-0 Beyond the Standard Model (BSM) state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula> according to the following Lagrangian: <disp-formula id="d1"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(1)</label></disp-formula>The most minimal realization of this scenario is the so-called Higgs portal model, where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>246</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> being the Higgs vacuum expectation value. The designation “<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portal” stems from the fact that DM particles can annihilate into SM fermion pairs via <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel exchange of the mediator field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p></list-item><list-item><label>(ii)</label><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model fermion DM: This model is analogous to the previous case but with fermionic DM,<fn id="fn2"><label><sup>2</sup></label><p>There are no substantial differences between Majorana and Dirac fermions. We focus on the latter case for simplicity and definiteness.</p></fn> <disp-formula id="und1"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:msqrt><mml:mn>2</mml:mn></mml:msqrt></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p></list-item><list-item><label>(iii)</label><p>Simplified vector portal: We consider a Dirac fermion coupled vectorially with a spin-1 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-channel mediator, denoted <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>, which is, in turn, coupled vectorially to SM fermion pairs, <disp-formula id="d2"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(2)</label></disp-formula>This model has been selected, as it represents the most constrained scenario in conventional thermal freeze-out; consequently, it is particularly interesting to consider alternative DM production mechanisms in this context. Furthermore, the choice of purely vectorial couplings is motivated by the fact that they are not affected by issues related to perturbative unitarity <xref ref-type="bibr" rid="c26">[26]</xref>. Finally, this model serves as a popular benchmark for light DM searches.</p></list-item><list-item><label>(iv)</label><p>Simplified <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel model: We consider a Majorana fermion with a Yukawa-type interaction with a BSM scalar <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> and a SM fermion, <disp-formula id="d3"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(3)</label></disp-formula>The “<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portal” designation comes from the fact that the interaction above generates DM annihilations into SM fermions via <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel exchange of the mediator. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-channel portals can be realized for different combinations of DM/mediator spins (see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="c27 c28 c29 c30 c31 c32">[27–32]</xref> for more comprehensive studies). The choice of a Majorana fermion DM and a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel scalar mediator is motivated by the fact that this model is characterized by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave-dominated DM annihilation cross sections and, most importantly, loop-induced spin-independent (SI) interactions between DM and nucleons.</p></list-item></list></p><p>In addition to the aforementioned portals, we consider one of the most popular archetypes for WIMP DM, namely, electroweakly interacting DM. Focusing on the case of a Majorana fermion, we consider the following Lagrangian <xref ref-type="bibr" rid="c19">[19]</xref>: <disp-formula id="d4"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo id="d4a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d4a1">+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(4)</label></disp-formula>Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the type of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> multiplet the DM belongs to and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> the corresponding hypercharge. The so-called minimal DM models <xref ref-type="bibr" rid="c16 c17">[16,17]</xref> fall into this category, as for suitable assignments of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> the DM can be made cosmologically stable without the introduction of <italic>ad hoc</italic> symmetries. For our study, we will consider the case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> (analogous to the supersymmetric Higgsino). Other interesting cases are <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, corresponding to pure Wino DM in supersymmetric models <xref ref-type="bibr" rid="c33">[33]</xref>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, corresponding to one of the original minimal DM proposals.</p><p><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portals are widely known to have a strong correlation between DM relic density and direct detection. Just for illustration, we show, in the case of the spin-1 portal (a similar outcome would occur in the other portal models), isocontours (dashed lines) corresponding to the correct DM relic density, in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> bidimensional plane, for some fixed values of the mass of the mediator for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The regions marked with the same color of the contours correspond to the current exclusion by direct detection experiments from the same assignations of the parameters. As evident, the conventional thermal paradigm is in very strong tension with experimental evidences. The freeze-in paradigm straightforwardly overcomes the problem as it allows one to comply with the correct DM for very small values of the couplings. As evidenced by the solid contours of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f1">1</xref>, the parameter space corresponding to the correct relic density is very far from the experimental sensitivity.</p><fig id="f1"><object-id>1</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f1</object-id><label>FIG. 1.</label><caption><p>Dashed lines, isocontours of the correct relic density, for the spin-1 mediator simplified model, in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> bidimensional plane, assuming the thermal freeze-out paradigm. The different colors correspond to different values, reported on the plot, of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The colored regions correspond to the exclusion by DD experiments. Solid lines, isocontours of the correct DM relic density for the same model but assuming the DM to be feebly interacting and produced via standard freeze-in.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_1.eps"/></fig><p>As already pointed out, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portal model is less subject to constraints from direct detection, given the radiative origin of the SI interactions. Nevertheless, the conventional freeze-out might be disfavored given the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave suppression of the DM annihilation cross section and the potential lower bounds on the mediator mass from LHC constraints <xref ref-type="bibr" rid="c27 c30">[27,30]</xref>. In addition to the conventional freeze-in, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel mediators allow for other solutions for the relic density ranging from coannihilations to conversion-driven freeze-out <xref ref-type="bibr" rid="c34 c35">[34,35]</xref> and super-WIMP production <xref ref-type="bibr" rid="c36 c37">[36,37]</xref>.</p><p>In the case of electroweakly interacting DM, the relic density depends only on the DM mass as annihilation processes occur via gauge interactions. The absence of tree-level interactions between the DM and quark/gluons put these kinds of models away from present DM sensitivity but in the reach of next-generation detectors. However, the efficiency of DM annihilation allows one to match the correct relic density only for heavy DM masses, starting from around 1 TeV for a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> doublet and increasing with the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It would be then interesting to find lower DM mass benchmarks to be probed via direct detection (DD) experiments.</p><sec id="s2a"><label>A.</label><title>Capability of direct detection in probing thermal freeze-out</title><p>The paradigm of thermal freeze-out offers a straightforward testable solution to the puzzle of DM abundance generation in the early Universe. However, the increasing sensitivity of DD experiments is placing increasingly stringent constraints on the magnitude of interactions between DM and SM states. This raises a fundamental question: would negative results at future DD facilities allow us to completely rule out the thermal paradigm, thereby indicating the necessity of alternative production mechanisms to solve the DM puzzle?</p><p>We first consider the simplified <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel model with scalar DM. When the DM relic density is primarily determined by pair annihilations into SM fermion pairs, the thermally averaged cross section can be reliably approximated using the so-called velocity expansion,<fn id="fn3"><label><sup>3</sup></label><p>We do not consider, in our study, values of the mass close to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel resonances or opening thresholds of annihilation channels, corresponding to the conventional cases where the velocity expansion is not valid <xref ref-type="bibr" rid="c38">[38]</xref>.</p></fn> which gives, at leading order, <disp-formula id="d5"><mml:math display="block"><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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d5a1">≈</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><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>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></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:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><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:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5a1">⁢</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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: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:mrow></mml:msqrt><mml:mi>θ</mml:mi><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:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d5a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><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>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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: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:mrow></mml:msqrt><mml:mi>θ</mml:mi><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:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d5a1">×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="9ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</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:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</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:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</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:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(5)</label></disp-formula></p><p>Using the velocity expansion, an analytical estimate of the relic density is given by <xref ref-type="bibr" rid="c39">[39]</xref> <disp-formula id="d6"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1.07</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</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>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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: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:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Pl</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi><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:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(6)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> represent the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>- and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave terms in the velocity expansion, respectively. Assuming <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>S</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and annihilations predominantly into bottom quark pairs, we can write <disp-formula id="d7"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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:mrow><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>19</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(7)</label></disp-formula></p><p>This equation can be solved for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the result substituted into the analytical expression for the DM scattering cross section with protons, <disp-formula id="d8"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>π</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(8)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>6</mml:mn><mml:mn>27</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>0.3</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In this way, it is possible to obtain the following prediction for the DM scattering cross section as a function of its mass: <disp-formula id="d9"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1.1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>42</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>0.12</mml:mn><mml:mrow><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(9)</label></disp-formula></p><p>Repeating the same procedure for the other <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portals, we have, in the case of the fermionic DM with spin-0 mediator, <disp-formula id="d10"><mml:math display="block"><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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</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:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d10a1">≈</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><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>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><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:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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: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:mrow></mml:msqrt><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</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>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d10a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><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>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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: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:mrow></mml:msqrt><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</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>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="9ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</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>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</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>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(10)</label></disp-formula></p><p>For the vector portal, we have <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:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</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:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d11a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Z</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:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</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>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d11a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</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>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>×</mml:mo><mml:mrow><mml:mo minsize="9ex" stretchy="true">{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" width="auto"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Z</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>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Z</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>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(11)</label></disp-formula>and <disp-formula id="d12"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>π</mml:mi></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac></mml:math><label>(12)</label></disp-formula>for the DM annihilation and scattering cross sections, respectively. Considering the hierarchy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≪</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:math></inline-formula>, we can translate the requirement of correct relic density into a relatively simple equation, <disp-formula id="d13"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>0.12</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><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>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mo>∑</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(13)</label></disp-formula>whose result can be related to the following prediction for the scattering cross section with protons: <disp-formula id="d14"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo id="d14a1">≈</mml:mo><mml:mn>2.3</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>40</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:munder><mml:mo stretchy="false">∑</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi></mml:munder><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>0.12</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(14)</label></disp-formula></p><p>The analytical results just discussed are illustrated comprehensively in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f2">2</xref>. The figure shows the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>DMp</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> parameter space, where the solid lines correspond to the expected DM scattering cross section (with different colors corresponding to different portal models as displayed directly on the plot) when the DM couplings are fixed to achieve the correct relic density, assuming <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The dashed lines have been obtained in an analogous fashion but considering <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f2"><object-id>2</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f2</object-id><label>FIG. 2.</label><caption><p>Expected scattering cross section over proton for some simplified setups. For each line the ratio between the DM mass and the mass of the mediator is kept fixed; solid lines refer to the case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>med</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, while dashed lines correspond to the case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>med</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The couplings have been fixed in order to reproduce the correct DM relic density according to the thermal freeze-out paradigm.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_2.eps"/></fig><p>The results clearly demonstrate that, when a strong correlation between DM relic density via annihilation into SM quarks and DM scattering with nucleons is enforced, the freeze-out paradigm is already in strong tension with experimental data. An absence of detection at future facilities would seemingly exclude DM coupled with quarks below the TeV scale.</p><p>A possible way out, even within simplified setups such as those under consideration, would be to consider scenarios where the DM relic density relies essentially on annihilations into pairs of mediators (this implicitly requires heavier DM relative to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel mediator). In this way, one can achieve effective DM annihilations without necessarily implying a scattering cross section in tension with experimental data (for a detailed study of this scenario, the reader may refer to <xref ref-type="bibr" rid="c40">[40]</xref>).</p><p>In this “secluded” regime, assuming the hierarchy <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> so that final state masses can be neglected, the relic density depends only on the DM mass and a single coupling. Considering the following cross sections, <disp-formula id="d15"><mml:math display="block"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d15a1">≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d15a1">≈</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mover><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d15a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(15)</label></disp-formula>we obtain the following predictions: <disp-formula id="d16"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo id="d16a1">≈</mml:mo><mml:mn>0.24</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><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:mn>0.12</mml:mn><mml:mrow><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: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:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d16a1">≈</mml:mo><mml:mn>0.50</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><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:mn>0.12</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></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:mspace linebreak="newline"/><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d16a1">≈</mml:mo><mml:mn>0.22</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><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:mn>0.12</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></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:math><label>(16)</label></disp-formula></p><p>Although it does not directly impact the relic density, the coupling between the mediator and the SM is subject to the requirement of ensuring DM thermalization in the early Universe. The minimal value ensuring this condition can be estimated via the following condition: <disp-formula id="d17"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mfrac><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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(17)</label></disp-formula>with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> being the standard freeze-out temperature.</p><p>The two panels of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f3">3</xref> show contours in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>DMp</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> parameter space. These correspond to the prediction of the DM scattering cross section for the three <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portals under scrutiny, with coupling values according to Eqs. <xref ref-type="disp-formula" rid="d15">(15)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="d16">(16)</xref>. The different lines in each plot correspond to different mass ratios: <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (solid lines), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (dashed lines), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (dot-dashed lines).</p><fig id="f3"><object-id>3</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f3</object-id><label>FIG. 3.</label><caption><p>DM scattering cross section over proton, as function of the DM mass, in simplified setups, indicated on top of the plots. The coupling between the DM and the mediator has been set in order to reproduce the correct relic density assuming that the latter is dominated essentially by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>Med</mml:mi><mml:mi>Med</mml:mi></mml:math></inline-formula> annihilations. The coupling between the mediator and the SM states has been set to the minimal value ensuring that the DM was in thermal equilibrium in the early Universe.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_3.eps"/></fig><p>Beyond the secluded regime, other possibilities allow for a less tight connection between relic density and direct detection. Indeed, one can have scenarios in which the effective coupling between the DM and nucleons is suppressed. Such suppression can be “accidental” as due to the so-called “blind spots” (in such a case, the inclusion of effects emerging at one or more loop levels is crucial to assess the capability of DD experiments to test this class of models) or more intrinsic of the model under scrutiny. A relevant example of this last kind of scenario is represented by models in which the DD is due to operators emerging at the one-loop level.</p><p>First, we can have suppression of the effective couplings between DM and nucleons in the presence of so-called blind spots. However, blind spots normally correspond to very specific assignments of model parameters and are not stable under radiative corrections. The inclusion of effects emerging at one or more loop levels is crucial to assess the capability of DD experiments to test this class of models. The corresponding cross sections have been computed in detail, for example, in <xref ref-type="bibr" rid="c19 c31">[19,31]</xref>, for electroweakly interacting and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel mediator DM, respectively. Another relevant example is represented by DM interacting with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified mediators coupled to leptons rather than quarks. We will discuss this type of scenario later in the paper. The capability of next-generation experiments of probing concrete models with suppressed DD has been recently discussed in <xref ref-type="bibr" rid="c41">[41]</xref>.</p><p>Another interesting possibility would be represented by the case that the thermally produced DM represents just a fraction of the total DM component of the Universe. This kind of scenario will be the object of future work.</p><p>The case of study of the present paper is instead represented by single component DM produced, possibly nonthermally, in nonstandard cosmological conditions. The correct relic density will be, in general, achieved in different regions of the parameter space with respect to the conventional freeze-out paradigm. One of the main purposes of the present study will be to assess whether at least some of such regions will be accessible to future experiments.</p></sec></sec><sec id="s3"><label>III.</label><title>DM PRODUCTION IN NONSTANDARD COSMOLOGIES</title><p>The standard thermal freeze-out and freeze-in paradigms for dark matter production are predicated on the assumption that DM genesis occurs during a radiation-dominated epoch in the early Universe. However, this assumption may not hold in more general cosmological scenarios, where the expansion history could be significantly modified by the presence of additional energy components Beyond the Standard Model radiation bath. Such deviations from the standard cosmological model can profoundly alter the DM abundance calculation and open new parameter space regions that would otherwise be inaccessible to experimental probes.</p><p>In this section, we explore DM production mechanisms in nonstandard cosmological scenarios, focusing particularly on the case where an exotic energy component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> dominates the Universe’s energy budget during the epoch of DM production. This component can serve both as a modifier of the cosmological expansion rate and as a potential source of DM particles through its decay. The interplay between these effects leads to rich phenomenology that can significantly expand the viable parameter space for DM models, particularly in regions that may be probed by current and future direct detection experiments.</p><p>The departure from standard cosmology introduces several new parameters that characterize both the exotic component and its coupling to the DM sector. These include the equation of state parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the exotic component, its decay rate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and, finally, the parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, determining the proportion between decays into radiation and DM particles. More specifically, we are implicitly assuming that the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> field features one (or more) decay channels into only SM final states as well as a decay channel into a DM pair. In this setup <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is just twice the branching ratio of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mi>DM</mml:mi></mml:math></inline-formula> process. The resulting DM abundance depends sensitively on these parameters, as well as on the reheating temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> at which the Universe transitions back to radiation domination, which must occur before big bang nucleosynthesis (BBN) to preserve the success of standard cosmology at later times. The setup described above can be translated into the following set of Boltzmann equations: <disp-formula id="d18"><mml:math display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></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:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo id="d18a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></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:mi>s</mml:mi><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d18a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d18a1">+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</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:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d18a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(18)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. The first equation represents the equation for the energy density of the exotic component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. In addition to the dilution effect, due to the Hubble expansion and dependent on the equation of state parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> component is assumed to decay at a rate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> such that the Universe becomes again radiation dominated at the time of BBN. The second equation tracks the time evolution of the entropy density of the radiation. It can be derived using the first principle of thermodynamics in an expanding Universe (for details see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="c42">[42]</xref>). Using <disp-formula id="d19"><mml:math display="block"><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>45</mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>eff</mml:mi></mml:msub><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>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(19)</label></disp-formula>it can be reformulated as an equation for the time evolution of the temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the plasma. Contrary to the standard cosmology, where the entropy per comoving volume is conserved, namely, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></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:mn>3</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we expected entropy injection due to the decay into radiation of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:math></inline-formula> component and possibly from annihilation processes of the nonthermally produced DM. Finally, the last equation is the conventional Boltzmann equation describing the number density <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> of a WIMP, subject to the dilution from Hubble expansion and to the pair annihilation processes with thermally averaged 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:mo stretchy="false">⟩</mml:mo></mml:math></inline-formula>. In addition, a further source term accounting for possible production from decays of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> component is present. A rather general study of the scenario with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, namely, no DM production from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, has been presented in <xref ref-type="bibr" rid="c43">[43]</xref> (see also <xref ref-type="bibr" rid="c44">[44]</xref>). Here we focus on some representative scenarios where the exotic component can directly contribute to DM production.</p><p>Notice that, even if we are considering the field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a generic additional component to the energy budget of the Universe, most of our findings can be applied as well to DM production during an inflationary (perturbative) reheating. For some more dedicated study, the reader might refer, for example, to <xref ref-type="bibr" rid="c10 c45 c46 c47 c48">[10,45–48]</xref>.</p><sec id="s3a"><label>A.</label><title>Early matter domination scenario</title><p>We first consider the case customarily dubbed early matter domination (EMD), corresponding to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. In this scenario, the exotic component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> behaves as pressureless matter, leading to a modified expansion history where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><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:math></inline-formula> rather than the standard radiation-dominated scaling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. This altered expansion rate has profound implications for both the freeze-out dynamics and any nonthermal DM production processes.</p><p>The system of Boltzmann equations <xref ref-type="disp-formula" rid="d18">(18)</xref> can be solved analytically in this case via the following change of variables <xref ref-type="bibr" rid="c49 c50">[49,50]</xref>: <disp-formula id="d20"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϕ</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:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</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>DM</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:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(20)</label></disp-formula>This transformation allows us to factor out the terms linear in the Hubble expansion rate, recasting the system in the following more tractable form: <disp-formula id="d21"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo id="d21a1">=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d21a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</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:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</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>ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><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:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</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:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</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>DM</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d21a1">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</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:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></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>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</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>ϕ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</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:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</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>DM</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(21)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined as <disp-formula id="d22"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">H</mml:mi><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>Pl</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></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:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:math><label>(22)</label></disp-formula>As already pointed out, the equation for the entropy density as been translated into an equation for the temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><p>Unless differently stated, we will assume initial conditions (corresponding to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> in the new variables) consisting of a value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>6</mml:mn></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the temperature (or, equivalently, for the energy density) of radiation and to a value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>Pl</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>6</mml:mn></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> for the initial energy density of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.<fn id="fn4"><label><sup>4</sup></label><p>The chosen initial conditions imply a fixed initial ratio between the initial energy density of the radiation and of the exotic component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. One could consider the latter as an additional free parameter, see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="c9">[9]</xref> with potential impact to the DM relic density. We will leave this possibility to future study.</p></fn> The initial DM abundance is assumed to be zero. All the results presented in this work are based on a numerical integration of the system <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref>. This has been done both via Wolfram’s <italic>Mathematica</italic> and via a <sc>p</sc>ython code written from scratch. Where the computation of the thermally averaged cross section is concerned, we have numerically evaluated the general expression provided in <xref ref-type="bibr" rid="c39">[39]</xref>, <disp-formula id="d23"><mml:math display="block"><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo id="d23a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d23a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>∞</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(23)</label></disp-formula>by making the change of variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mi>s</mml:mi></mml:msqrt><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has been computed, for the different simplified models, analytically via the package <sc>f</sc>eyn<sc>c</sc>alc <xref ref-type="bibr" rid="c51 c52 c53 c54">[51–54]</xref>.</p><p>Let us first consider the case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. A first illustration is provided by Fig. <xref ref-type="fig" rid="f4">4</xref>. It shows, for the portal models, the evolution of the DM yield, for a benchmark assignation of the DM and mediator masses and for the value of 1 GeV of the reheating temperature. In each panel, the different lines correspond to the different value of the couplings between the DM and the mediator. By looking at the shape of the different curves, one can notice that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mo>÷</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the DM abundance at early times (i.e., low value of x) grows until it matches the shape of an equilibrium curve (namely, the value 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> is an equilibrium distribution function assumed for the DM). For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the DM abundance decreases with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula> (notice that, for the parameter choice in the figure, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula> corresponds to the reheating temperature). Such decrease is interpreted as the dilution effect due to the entropy injection from the decay of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> field. Once the decay of the field is completed, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the comoving number density gets a plateau besides a small change for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn></mml:math></inline-formula> (corresponding to <inline-formula><mml:math display="inline"><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:math></inline-formula>, due to the variation of the relativistic degrees of freedom, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>eff</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as consequence of the QCD phase transition). In this setup, the dependence of the final relic density to the couplings of the DM is analogous to the standard freeze-out case, with the relic density increasing as the value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> decreases and vice versa. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn></mml:math></inline-formula>, on the contrary, the DM is never capable to get in thermal equilibrium. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the comoving abundance progressively increases, analogous to the conventional freeze-in, due to productions from interactions with the particles of the thermal plasma, until the aforementioned depletion effect becomes effective. Again, the final relic density (i.e., the plateau shape on the right portions of the plots) is reached for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula>, after the decay of the field occurs and the DM production from annihilations of thermal bath SM particles is no longer effective. In this setup, similar to the conventional freeze-in, the DM relic density increases as the coupling <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> increases and vice versa. In summary, studying the dependence of the DM abundance on the coupling, we envisage two limiting regimes for the solutions, a freeze-out-like regime and freeze-in-like regime. For fixed values of the DM and mediator masses, the two regimes correspond to different ranges of the DM couplings. One can finally infer that, in an EMD, one would need, to match the correct DM relic density, smaller couplings, with respect to the case of standard cosmological history, in the case of freeze-out and, instead, bigger couplings, always compared to the standard scenario, in the case of freeze-in. This would allow one, in the former case, to evade the constraints from direct detection while, in the latter case, would allow the model under scrutiny to approach the experimental sensitivity, something normally very difficult in the standard freeze-in.</p><fig id="f4"><object-id>4</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f4</object-id><label>FIG. 4.</label><caption><p>DM yield in a scenario of thermal production with a nonstandard cosmology with early matter domination. The three panels correspond to different simplified models, indicated at the top of each panel. In each plot, the different colored lines correspond to different values of the DM coupling, reported in the vicinity of each line.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_4.eps"/></fig><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref> illustrates instead the behavior of the DM relic density by varying the reheating temperature. For each model (the different rows in the figure) we have considered three representative values of the DM couplings, corresponding to the WIMP and FIMP regimes, as well as to an intermediate regime among the two.</p><fig id="f5"><object-id>5</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f5</object-id><label>FIG. 5.</label><caption><p>DM yield, as function of the mass, in the scenario of DM production in a cosmological history with early matter domination. The first row refers to the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model with scalar DM, while the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model has been, instead, considered, in the bottom row. In each panel, the colored curves correspond to different values of the reheating temperature. In each row, the different panels correspond to different values of the couplings, namely, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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> for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_5.eps"/></fig><p>For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, as already discussed before, the curves displayed in the panels in the first column of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>, the DM abundance tracks the equilibrium value for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, gets depleted by the entropy injection for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and then gets the final value for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≫</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In this regime, the dependence of the relic density from the reheating temperature can be described by the following analytical approximation <xref ref-type="bibr" rid="c55">[55]</xref>: <disp-formula id="d24"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>EMD</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(24)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> represents the value of the relic density, for the given assignation of DM/mediator masses and couplings, assuming the conventional freeze-out in a standard cosmological history with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> being the standard freeze-out temperature. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the actual freeze-out temperature, which can be estimated via the usual rule of thumb <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">⟨</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. The latter definition stems from the fact that, according to the initial energy of the field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the freeze-out of DM annihilation can occur when the Hubble expansion parameter is dominated by the radiation energy density, so that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the DM relic density is just the thermal value divided by a dilution factor due to the entropy injection, or, alternatively, when the Hubble expansion parameter is dominated by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. (Equations to estimate numerically <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have been provided, for example, in <xref ref-type="bibr" rid="c43">[43]</xref>). Moving to the case of very small couplings, as represented by the right panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f5">5</xref>, the DM is never capable of reaching the equilibrium values at early times. An analytical estimate of the relic density in such regime has been provided in <xref ref-type="bibr" rid="c55">[55]</xref>, although originally derived in <xref ref-type="bibr" rid="c56">[56]</xref>, and reads <disp-formula id="d25"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></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:mfrac><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:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>16</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 stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(25)</label></disp-formula>There is no analytic estimate valid for the intermediate regime between the two limiting regimes just illustrated. In such a case, one can rely just on the numerical solution.</p><p>We are, finally, ready to assess the detection prospects of the scenarios of DM production during EMD. We have considered first the scenario of high values of the couplings, corresponding to thermal freeze-out in a standard cosmological scenario. We have performed a parameter scan over the following ranges: The scan ranges are <disp-formula id="d26"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo id="d26a1">,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d26a1">∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(26)</label></disp-formula>for the two <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified models, <disp-formula id="d27"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo id="d27a1">,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d27a1">∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math><label>(27)</label></disp-formula>for the spin-1 portal, and <disp-formula id="d28"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow other="silent"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:malignmark/></mml:mrow></mml:math><label>(28)</label></disp-formula>for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model. For all the models, we have varied the reheating temperature in the range <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>min</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p><p>The results are shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f6">6</xref>. The four panels (corresponding to the four portal models) of the figure show the model points featuring the correct relic density in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> bidimensional plane. The current exclusion bound from LZ and the projected sensitivity by XLZD (assuming 200 ton yr exposure) are reported as well, as, respectively, dashed blue and dot-dashed purple lines. Finally, the region colored in yellow correspond to the neutrino floor. The color code of the model points correspond to the value of the reheating temperature.</p><fig id="f6"><object-id>6</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f6</object-id><label>FIG. 6.</label><caption><p>Outcome of a parameter scan for the four portal simplified models assuming thermal production in a nonStandard Cosmological scenario with early matter domination.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_6.eps"/></fig><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f7">7</xref> shows the results of a broader exploration of the parameter space in which a larger window of values of the DM coupling has been considered. For simplicity, we have focused on just the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portal with scalar DM and the spin-1 portal. In both cases, the coupling has been varied in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> range, while the mass of the mediator has not been varied, contrary to the previous scan, but, instead, kept fixed to the three values of 1, 10, and 100 TeV.</p><fig id="f7"><object-id>7</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f7</object-id><label>FIG. 7.</label><caption><p>Outcome of a parameter scan considering a wide range of coupling values, to include both freeze-out and freeze-in regimes (see main text for details). To facilitate the interpretation of the outcome, the mass of the mediator has been kept fixed to three specific values, namely, 1, 10, 100 TeV, corresponding to the different panels in each row. For this analysis, we have considered two simplified models, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portal with scalar DM and the spin-1 portal.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_7.eps"/></fig><p>Up to now the simplified model with electroweak interacting DM has not been considered. The reason is that the DM annihilation cross section depends on the SM gauge couplings and, for the considered range of masses, it leads to an underabundant density if the conventional thermal production is assumed. Consequently, the correct relic density can never be achieved in the case of a cosmology with an early matter domination, unless an extra nonthermal source of DM is assumed, as will be evidenced in the next section.</p></sec><sec id="s3b"><label>B.</label><title>Nonthermal DM production in EMD</title><p>Let us now consider the case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, i.e., the possibility of nonthermal DM production from the decay of the field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p><sec id="s3b1"><label>1.</label><title>Reannihilation and direct production regimes</title><p>As in the previous subsection, we first illustrate the solution of the Boltzmann equations for some benchmarks.</p><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> considers the case of the scalar <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model with scalar DM. We have selected two benchmark parameter sets: <inline-formula><mml:math display="inline"><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:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="goodbreak"/><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and (200 GeV, 30 GeV, 1), and studied the variation of the DM yield <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:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a function of the key parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><fig id="f8"><object-id>8</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f8</object-id><label>FIG. 8.</label><caption><p>Evolution of the DM yield as function of <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> for the simplified <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel model with scalar DM. The left column describes <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for different values of the reheating temperature and fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The central column refers to different values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> while, finally, in the right column different values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are considered. The two rows correspond to two benchmarks with different mass hierarchies, namely, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (top row) and <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:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> (bottom row).</p></caption><graphic xlink:href="e015005_8.eps"/></fig><p>The behavior of the DM yield curves can be understood in terms of two distinct asymptotic regimes that emerge from the solutions of system <xref ref-type="disp-formula" rid="d21">(21)</xref> (for more details, see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="c50 c55">[50,55]</xref>). The transition between these regimes depends critically on whether the DM annihilation rate is sufficient to deplete the nonthermally produced DM abundance.</p><p>When the DM annihilation rate is sufficiently large, the nonthermal abundance exceeds the critical value, <disp-formula id="d29"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(29)</label></disp-formula>This triggers a reactivation of annihilation processes, leading to what is known as the “reannihilation” regime. This regime is realized when <xref ref-type="bibr" rid="c57">[57]</xref> <disp-formula id="d30"><mml:math display="block"><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>&gt;</mml:mo><mml:mn>1.96</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>29</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</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:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(30)</label></disp-formula>In the reannihilation regime, the DM relic density can be approximated as <disp-formula id="d31"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>NT</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(31)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the standard freeze-out temperature (i.e., as in a radiation-dominated era) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> represents the relic density computed in the conventional freeze-out paradigm. The analytical approximation <xref ref-type="disp-formula" rid="d31">(31)</xref> evidences that, in the reannihilation regime, the DM relic density is inversely proportional to the reheating temperature and substantially independent of the parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Since <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, the reannihilation regime is particularly well suited for DM candidates that would be underabundant in the standard thermal freeze-out scenario. Notably, the relic density depends on the DM thermally averaged cross section through <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, but is essentially independent of the branching fraction <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p><p>Conversely, when condition <xref ref-type="disp-formula" rid="d30">(30)</xref> is not satisfied, the nonthermal production is insufficient to trigger efficient DM annihilation. In this case, the energy initially stored in the exotic component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> is entirely converted into DM particles, leading to a relic density approximately given by <disp-formula id="d32"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d32a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>NT</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d32a1">≃</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(32)</label></disp-formula>In contrast to the reannihilation regime, this “direct production” regime yields a relic density that is independent of the annihilation cross section and scales linearly with the reheating temperature, rather than inversely as in the reannihilation case. As pointed out, e.g., in <xref ref-type="bibr" rid="c55">[55]</xref>, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref> can be used also for the case in which the DM is not capable of getting in chemical equilibrium at early times.</p><p>The benchmark results shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> illustrate these regime transitions clearly. The first row considers a mass hierarchy with <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>S</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The first panel of the figure considers <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and displays the DM comoving abundance, as a function, as customary, of <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>, for different values of the reheating temperature. It is evident that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> the DM abundance increases as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> decreases, while it scales linearly with the reheating temperature as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The curves corresponding to the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> strongly resemble the typical curve of the standard DM freeze-out showing just a small deviation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The reason is that the considered values of the reheating temperature are very close to the one of the standard freeze-out for the considered parameter assignations. On the other side, the comoving DM abundances show for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> a behavior well described by the direct production approximation <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref>. Finally, the curves corresponding to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> correspond to an intermediate regime between the described limit cases; hence one can rely only on the numerical solution. The curves shown in the second panel in the upper row of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> are instead obtained by fixing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> and varying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. According to the previous discussion, the solution is expected to be approximated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref>. Indeed, in all the curves, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> matches the equilibrium curve for small values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, shows a decrease ending at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn></mml:math></inline-formula>, corresponding to the reheating temperature for the considered parameter assignations, and then reaches a plateau representing the final value of the DM abundance. The latter shows a linear scaling with the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in agreement with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref>. Finally, the last panel of the upper row of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> considers the fixed values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula>. All the curves, corresponding to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> for different values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> overlap at late times with the exception the one associated with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This outcome can be again explained by the fact that the relic density for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≤</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:math></inline-formula> is well approximated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref>, which is indeed independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The solution of the Boltzmann equation for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> (red curve in the plot) corresponds to an intermediate regime between the reannihilation and the direct production; hence we do not attempt to explain it through some analytic approximation. The second row of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> illustrates the some kind of study as the one just described, for a different parameter assignation. A rather different picture emerges. Considering again first the behavior 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>, for fixed values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and different values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, all the curves displayed in the left bottom panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> are characterized by the same trend: for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>≲</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <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>Y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>eq</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>; a progressive decrease, due to entropy injection, follows until <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>R</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>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>; a second drop, analogous in shape to the one characterizing the nonrelativistic thermal freeze-out, follows until the late time asymptotic value is achieved. The relic density is inversely proportional to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, consistent with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d31">(31)</xref>. This outcome is further enforced by the result displayed in the central bottom panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> displaying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> but varying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. All the curves corresponding to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><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> tend, at high values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, to approximately the same value; in other words, the relic density is substantially independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, again compatible with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d31">(31)</xref>.<fn id="fn5"><label><sup>5</sup></label><p>A refined analytical treatment actually shows a very weak, but not absent, dependence of the relic density on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> in the reannihilation regime. For details, see, e.g., <xref ref-type="bibr" rid="c50">[50]</xref>.</p></fn> For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><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>, the nonthermal production is not efficient enough to reactivate the DM annihilation processes, so that the solution of the Boltzmann equation for this last case is described by the direct production limit. The last bottom panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f8">8</xref> shows finally the behavior 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> for different assignations of the couplings <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the DM abundances grow as the coupling decreases compatibly with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d31">(31)</xref>. As the coupling further decreases, the annihilation rate of the DM is not capable any longer of counteracting the nonthermal production, so that the solution of the Boltzmann equations is approximated by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d32">(32)</xref>, independent of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s3b2"><label>2.</label><title>Model-specific predictions</title><p>The reannihilation regime typically enables the correct relic density for models characterized by DM annihilation cross sections significantly above the thermally favored value of <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:mn>3</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>26</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A prominent example is a DM candidate charged under <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> with mass below 1 TeV, which would satisfy these requirements due to its enhanced annihilation cross section. Conversely, models with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave suppressed cross sections are generally expected not to reach the reannihilation regime. In such cases, the nonthermal DM production is highly efficient, necessitating a very suppressed branching fraction <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> to achieve the correct relic density.</p><p>To illustrate these distinct behaviors, we examine the time evolution of DM abundance for two specific model realizations, fixing the reheating temperature to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The results are presented in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f9">9</xref>.</p><fig id="f9"><object-id>9</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f9</object-id><label>FIG. 9.</label><caption><p>Left: nonthermal DM abundance for different values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula> for a simplified model with DM belonging to a <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> doublet 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:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Right: the same, but for a simplified model with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel mediator and Majorana DM.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_9.eps"/></fig><p>For the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>-doublet model with <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>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the thermally averaged annihilation cross section is approximately <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>24</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which would yield a negligible relic density under conventional freeze-out. However, in the nonthermal production scenario, the correct relic density [corresponding to <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:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>] is achieved in the reannihilation regime for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><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>.</p><p>The right panel of Fig. <xref ref-type="fig" rid="f9">9</xref> examines the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model with Majorana DM, using parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn></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:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Because of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave-dominated cross section and additional suppression from 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 mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> mass hierarchy, condition <xref ref-type="disp-formula" rid="d30">(30)</xref> is not satisfied. Consequently, the DM abundance far exceeds the experimentally favored value unless <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is particularly small, specifically requiring <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</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: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:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>.</p></sec><sec id="s3b3"><label>3.</label><title>Direct detection prospects</title><p>Having provided an insight about the solution of the Boltzmann equation we can now investigate, in a more systematic way, the potential for DD facilities to probe the nonthermal DM production scenarios described above. We have hence repeated the parameter scans illustrated in the previous subsection but considering now a nonzero <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> varied in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> range.</p><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f10">10</xref> displays the results in the <inline-formula><mml:math display="inline"><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:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> plane, with different colors corresponding to the reheating temperature values. As customary, the plots also include current exclusion limits from LZ, projected sensitivities of XLZD, and the neutrino floor region. As expected, accounting for nonthermal DM production significantly expands the parameter space accessible to direct detection experiments.</p><fig id="f10"><object-id>10</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f10</object-id><label>FIG. 10.</label><caption><p>Parameter space viable for direct detection in nonthermal DM (NTDM) production scenarios. Results are shown for the simplified <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel scalar mediator model (top left), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel fermion mediator model (top right), spin-1 portal model (bottom left), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel mediator model (bottom right). Points are displayed in the <inline-formula><mml:math display="inline"><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:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> plane, with colors indicating the reheating temperature values.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_10.eps"/></fig><p>To better characterize the viable parameter space, Fig. <xref ref-type="fig" rid="f11">11</xref> shows the model points that satisfy both the correct DM relic density and evade current LZ bounds, displayed in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> plane. The color coding tracks the DM mass values, revealing the complex interplay between the nonthermal production parameters and the resulting phenomenology. These results demonstrate that nonstandard cosmological scenarios can substantially expand the discovery potential of direct detection experiments, motivating continued theoretical and experimental investigation of these alternative DM production mechanisms.</p><fig id="f11"><object-id>11</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f11</object-id><label>FIG. 11.</label><caption><p>Model points for the simplified models satisfying both the correct DM relic density and current DD exclusion limits, assuming nonthermal production in an early matter-dominated era. Points are displayed in the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> plane, with colors indicating different DM mass values.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_11.eps"/></fig></sec></sec><sec id="s3c"><label>C.</label><title>Dark matter with accelerated early expansion rates</title><p>In this section, we explore the implications of modified cosmological histories on dark matter production, focusing on scenarios where the Universe undergoes accelerated expansion during the relevant epochs. We examine both the thermal freeze-out regime, where dark matter was initially in thermal equilibrium, and the freeze-in regime, where dark matter production occurs through feeble interactions. Our analysis demonstrates how nonstandard cosmologies can reconcile theoretical predictions with observational constraints, particularly for models that face challenges in the standard cosmological framework.</p><p>Along these lines, we hence consider the case in which the exotic component <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> can trigger an accelerated expansion of the Universe <xref ref-type="bibr" rid="c58">[58]</xref>, <disp-formula id="d33"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∝</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(33)</label></disp-formula>Among the various possibilities, quintessence <xref ref-type="bibr" rid="c59 c60 c61">[59–61]</xref> (corresponding to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>) is particularly popular.</p><p>Neglecting the case of nonthermal DM production, the nonstandard cosmological history affects the freeze-out of the DM, setting it at an earlier stage with respect to standard cosmology. The two temperatures are related by the following approximate equation: <disp-formula id="d34"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><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 mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><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 mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></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 mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(34)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> corresponds to the freeze-out in a standard (i.e., radiation-dominated) cosmological history, while <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>r</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>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The temperature <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents a reference temperature marking the end of the nonstandard cosmological history. It is defined as the temperature at which the energy densities of radiation and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:math></inline-formula> coincide, so that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> the Universe returns to being radiation dominated, <disp-formula id="d35"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo id="d35a1">=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Pl</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>ρ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d35a1">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ρ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><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: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>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><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:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo 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>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><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:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(35)</label></disp-formula></p><p>Semianalytical solutions of the Boltzmann equations can be obtained in the case <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>≥</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Considering an <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave-dominated annihilation 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:mo stretchy="false">⟩</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, the DM abundance can be approximately written as <disp-formula id="d36"><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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d36a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</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:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>pl</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><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 mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d36a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><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:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>pl</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(36)</label></disp-formula></p><p>One of the key aspects of thermal freeze-out during accelerated expansion of the Universe is that the DM relic density is enhanced with respect to standard cosmology. Higher annihilation cross sections are needed to match the experimentally favored value. This setup offers a further solution to accommodate the correct relic density for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>-multiplet DM with masses below the TeV scale. We have therefore determined the viable parameter space for the simplified model with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>-doublet DM as shown in Fig. <xref ref-type="fig" rid="f12">12</xref>.</p><fig id="f12"><object-id>12</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f12</object-id><label>FIG. 12.</label><caption><p>Parameter space for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>-doublet dark matter in nonstandard cosmological scenarios. The plot shows the viable region in the <inline-formula><mml:math display="inline"><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:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> plane where the correct relic density can be achieved through thermal freeze-out in a fast-expanding Universe.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_12.eps"/></fig><p>The figure shows, in the <inline-formula><mml:math display="inline"><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:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> parameter space, the isocontours corresponding to the correct relic density for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> (blue curve), <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula> (magenta curve), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula> (purple curve).</p><p>The case of a fast-expanding Universe is also of particular interest for feebly interacting particles. As evidenced in <xref ref-type="bibr" rid="c62">[62]</xref>, a general analytical solution cannot be achieved, as different processes can contribute to the generation of the relic density. A general feature is, nevertheless, that DM production is suppressed with respect to a radiation-dominated Universe; consequently, comparatively higher couplings are needed. This feature is particularly interesting, as it would potentially put a freeze-in scenario within the reach of next-generation detectors. We provide a (semi)analytical insight by considering, as a case of study, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model. A similar reasoning can be applied to the other portal models. The freeze-in regime can be achieved for this model by considering the regime <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>S</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and very small values of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> parameters. In this setup, one can straightforwardly adapt the expression provided in <xref ref-type="bibr" rid="c62">[62]</xref> for the case of pair production of DM from annihilations of SM states by taking <disp-formula id="d37"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>SM</mml:mi><mml:mi>SM</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><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>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></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>4</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>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(37)</label></disp-formula>so that one obtains <disp-formula id="d38"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d38a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>135</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>10</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>256</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>8</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>Pl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>′</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(38)</label></disp-formula></p><p>Figure <xref ref-type="fig" rid="f13">13</xref> shows the outcome of a parameter scan of the simplified <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel (both scalar and fermionic DM) and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel models over the following ranges: <disp-formula id="d39"><mml:math display="block"><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 id="d39a1">∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</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: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:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d39a1">∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</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: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:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo indentalign="id" indenttarget="d39a1">∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1000</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Φ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>TeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace depth="0.0ex" height="0.0ex" width="2em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</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>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(39)</label></disp-formula>In each case, the temperature associated with the end of the nonstandard cosmological phase has been varied as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>∈</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>MeV</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with, as customary, the implicit requirement <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For each of the considered models, the scan has been repeated 3 times, corresponding to the values 2, 3, and 4 of the parameter n. Each row, one for each of the considered simplified models, shows plots displaying the parameter assignations giving the correct DM relic density in the <inline-formula><mml:math display="inline"><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:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> parameter space, following a color pattern determined by the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. In each row, the different panels correspond to the different assignations of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The distribution of the model points in each panel can be qualitatively understood as follows. The range of the scans for each model has been chosen so that the DM mass is always lighter than the one of the mediator. In this setup, as shown by Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="d38">(38)</xref> (a similar result would be obtained also for the other simplified models), the DM relic density increases with the DM mass. In order to keep the value around the experimental determination, for fixed <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> it is then necessary to lower the coupling. Furthermore, the DM relic density decreases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For fixed values of the DM and mediator masses, it is then necessary to choose higher values of the coupling. The decrease of the relic density with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is stronger as the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases. Comparing the different panels of the single rows, one can consequently see that the maximal values of the couplings compatible with the correct relic density are obtained for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The results demonstrate that nonstandard cosmological histories can significantly modify the viable parameter space for dark matter models, opening new regions that would be excluded in standard cosmology. This is particularly relevant for models with weak couplings, where the enhanced expansion rate during the nonstandard epoch can compensate for the reduced interaction strength, allowing these models to achieve the correct relic density while remaining compatible with experimental constraints.</p><fig id="f13"><object-id>13</object-id><object-id pub-id-type="doi">10.1103/7g3h-kwdl.f13</object-id><label>FIG. 13.</label><caption><p>Relic density of feebly interacting DM in the fast-expanding regime. The case of study is represented by the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified model with scalar DM (top row), fermionic DM (middle row), and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified models (bottom row). Each panel shows the outcome of a parameter scan (see main text for details). The three different columns correspond, from left to right, to the cases <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula>, 3, 4. The panels show the model points with the correct DM relic density in the <inline-formula><mml:math display="inline"><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:msqrt><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>/</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>ψ</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> bidimensional plane with a color pattern tracking <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>.</p></caption><graphic xlink:href="e015005_13.eps"/></fig><p>The implications of these results extend beyond the specific models considered here. Nonstandard cosmological histories provide a general framework for reconciling dark matter theory with observation, offering new pathways to the observed relic density that can evade current experimental bounds. This is particularly important for models that face the WIMP miracle problem, where the cross sections required for thermal freeze-out are in tension with direct detection limits. By modifying the cosmological context, we can maintain the elegance of thermal production while avoiding the most stringent experimental constraints.</p></sec></sec><sec id="s4"><label>IV.</label><title>CONCLUSION</title><p>The quest to understand the nature of dark matter has reached a critical juncture as direct detection experiments approach the fundamental neutrino floor limit. Our comprehensive analysis of theoretical benchmarks for ultimate WIMP detectors reveals both the challenges and opportunities that lie ahead in this final phase of the traditional dark matter search paradigm.</p><sec id="s4a"><label>A.</label><title>Theoretical landscape at the neutrino floor</title><p>Our systematic examination of simplified dark matter models demonstrates that the parameter space accessible to next-generation experiments remains remarkably rich, even in the face of the irreducible neutrino background. The interplay between thermal freeze-out and freeze-in production mechanisms opens multiple avenues for discovery, with each pathway offering distinct phenomenological signatures that can guide experimental strategies. Particularly compelling are scenarios involving momentum-dependent interactions and blind-spot configurations, which naturally suppress direct detection cross sections while maintaining cosmologically viable relic densities.</p><p>The exploration of electroweakly interacting multiplets and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel mediator models reveals that loop-induced effects often dominate the detection prospects for theoretically well-motivated scenarios <xref ref-type="bibr" rid="c19 c63">[19,63]</xref>. This finding underscores the critical importance of higher-order calculations in establishing reliable theoretical predictions for ultimate sensitivity experiments. Our analysis shows that many models previously considered beyond experimental reach may become accessible through careful consideration of radiative corrections and multiloop contributions.</p><p>For the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel scalar portal model, the relationship between relic density and direct detection sensitivity is governed by the thermally averaged annihilation cross section, <disp-formula id="d40"><mml:math display="block"><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 stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</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:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d40a1">≈</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>16</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><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>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></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:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>4</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:msubsup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><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:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d40a1">⁢</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><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: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:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>θ</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:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(40)</label></disp-formula>which translates to a predicted spin-independent scattering cross section of <disp-formula id="d41"><mml:math display="block"><mml:msubsup><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>SI</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>≈</mml:mo><mml:mn>1.1</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>42</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>100</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>0.12</mml:mn><mml:mrow><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:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math><label>(41)</label></disp-formula></p></sec><sec id="s4b"><label>B.</label><title>Nonstandard cosmological scenarios</title><p>One of the most significant insights from our work concerns the dramatic impact of nonstandard cosmological histories on the relationship between relic abundance and direct detection prospects. Early matter domination scenarios and fast-expanding Universe models can fundamentally alter the traditional freeze-out dynamics, enabling viable dark matter candidates with properties that differ substantially from conventional expectations <xref ref-type="bibr" rid="c9 c10 c14">[9,10,14]</xref>.</p><p>In the early matter domination regime, the dark matter yield satisfies the modified Boltzmann equation system with the critical condition for reannihilation, <disp-formula id="d42"><mml:math display="block"><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>&gt;</mml:mo><mml:mn>1.96</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>29</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>DM</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi>GeV</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</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:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(42)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the reheating temperature and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>DM</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> parametrizes the branching ratio for dark matter production from the exotic component decay.</p><p>These mechanisms provide natural explanations for suppressed direct detection signals while maintaining the correct cosmological abundance, effectively extending the viable parameter space well into regions that will be probed by ultimate sensitivity experiments. The freeze-in paradigm emerges as particularly promising in this context, as it naturally accommodates the ultraweak couplings characteristic of models approaching the neutrino floor.</p><p>For freeze-in production in fast-expanding cosmologies with equation of state parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>ω</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the dark matter yield is approximately <disp-formula id="d43"><mml:math display="block"><mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo id="d43a1">≃</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>135</mml:mn><mml:msqrt><mml:mn>10</mml:mn></mml:msqrt></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>256</mml:mn><mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mn>8</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">*</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>χ</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>Pl</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d43a1">⁢</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:msup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(43)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>r</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>r</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> marks the transition temperature.</p></sec><sec id="s4c"><label>C.</label><title>Experimental strategies and complementarity</title><p>The approach to the neutrino floor necessitates a fundamental shift in experimental strategy, moving beyond simple sensitivity improvements toward sophisticated background discrimination techniques <xref ref-type="bibr" rid="c1 c4">[1,4]</xref>. Our benchmarks highlight the critical importance of multitarget approaches, directional sensitivity, and statistical separation methods in breaking the degeneracy between neutrino- and WIMP-induced nuclear recoils. The complementarity between different experimental approaches—direct detection, indirect detection, and collider searches—becomes increasingly crucial as individual techniques approach their fundamental limits.</p><p>Current experiments such as LUX-ZEPLIN have achieved sensitivities approaching <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>47</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> for spin-independent WIMP-nucleon scattering <xref ref-type="bibr" rid="c2">[2]</xref>, while next-generation detectors like DARWIN/XLZD promise to extend this reach to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>48</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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:mrow></mml:math></inline-formula>. The neutrino floor represents a fundamental barrier where coherent elastic neutrino-nucleus scattering creates an irreducible background that mimics WIMP signals.</p><p>Emerging technologies, including quantum sensing approaches and gravitational wave detectors, offer unprecedented opportunities to probe previously inaccessible parameter regions. These novel detection strategies can potentially circumvent the traditional neutrino floor limitations by targeting different interaction mechanisms or exploiting ultrahigh precision measurements that were previously impossible.</p></sec><sec id="s4d"><label>D.</label><title>Beyond the WIMP paradigm</title><p>While our analysis focuses primarily on WIMP-like candidates, the broader implications extend to the entire landscape of dark matter theories. The recognition that traditional thermal freeze-out models may be fundamentally limited by neutrino backgrounds has catalyzed renewed interest in alternative production mechanisms and nonminimal dark sectors <xref ref-type="bibr" rid="c7 c8">[7,8]</xref>. Following an analogous approach as, for example, <xref ref-type="bibr" rid="c41 c63">[41,63]</xref>, we will consider DM masses in the 1 GeV–1 TeV range.</p><p>For electroweakly interacting dark matter multiplets, the Lagrangian takes the form <disp-formula id="d44"><mml:math display="block"><mml:mi mathvariant="script">L</mml:mi><mml:mo id="d44a1">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mspace linebreak="newline"/><mml:mo indentalign="id" indentshift="1em" indenttarget="d44a1">+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>Y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:msup><mml:mi>ψ</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup><mml:msubsup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>Y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mi>θ</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>χ</mml:mi><mml:msup><mml:mi>γ</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msup><mml:mi>η</mml:mi><mml:msub><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mi>μ</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:math><label>(44)</label></disp-formula>where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>-multiplet dimension and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>Y</mml:mi></mml:math></inline-formula> the hypercharge assignment <xref ref-type="bibr" rid="c16 c20">[16,20]</xref>.</p><p>Multimessenger approaches, combining information from gravitational waves, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>γ</mml:mi></mml:math></inline-formula>-ray observations, and neutrino detections, promise to open entirely new windows into the dark sector. The development of comprehensive theoretical frameworks enables systematic exploration of models with similar phenomenological predictions, which will prove essential for interpreting potential signals in the complex landscape near the neutrino floor.</p></sec><sec id="s4e"><label>E.</label><title>Future prospects and roadmap</title><p>Looking toward the next decade, several key developments will shape the future of dark matter searches at the neutrino floor. The deployment of next-generation multiton detectors will provide unprecedented sensitivity to spin-independent WIMP-nucleon interactions, potentially reaching cross sections as low as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>48</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Simultaneously, advances in quantum sensing technology and novel detection concepts will enable exploration of previously inaccessible mass ranges, from sub-GeV to ultralight axionlike particles.</p><p>The relic density constraint in the standard freeze-out scenario is given by <disp-formula id="d45"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>χ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>1.07</mml:mn><mml:mo>×</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</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>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><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: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:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></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:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi><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:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math><label>(45)</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> is the freeze-out parameter, <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, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> parametrize the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>- and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave contributions to the velocity expansion.</p><p>The theoretical framework developed in this work provides essential guidance for optimizing these experimental efforts. Our benchmarks identify the most promising parameter regions for discovery, highlight the importance of complementary detection strategies, and establish the foundation for interpreting results as experiments push into uncharted territory. The systematic exploration of nonstandard cosmological scenarios and alternative production mechanisms ensures that the theoretical landscape remains rich with possibilities, even as traditional WIMP searches approach their fundamental limits.</p></sec><sec id="s4f"><label>F.</label><title>Prospects for indirect detection</title><p>The present manuscript is mostly focused on the interplay between relic density and direct detection. We will nevertheless make some remarks in this subsection about indirect detection. On general grounds, the prospects are model dependent as they depend first of all on whether the DM annihilation cross section is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave dominated (i.e., velocity/time independent) or <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave dominated (i.e., velocity/time dependent) and on the specific annihilation final state. Among the benchmark models considered in our study, the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel model with fermionic DM and the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel portal are characterized by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>p</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave-dominated cross sections; hence they are not subject to constraints from indirect detection as the present time values of the cross section are much below present and future experimental sensitivity. For the same reason, all the models in the freeze-in (FI) regime are not subject to any constraints. As already pointed out, thermal production during early matter domination and nonthermal production in the direct production regime open regions of parameter space corresponding to value of the DM cross section below the thermally favored value. Present ID constraints are hence expected to affect this scenario to a very modest or even negligible extent. On the contrary, nonthermal production in the reannihilation regime can be efficiently probed by indirect detection.<fn id="fn6"><label><sup>6</sup></label><p>Scenarios with annihilation cross section of the order or above the thermally favored values are constrained as well by Cosmic Microwave Background, ruling out thermal candidates with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>s</mml:mi></mml:math></inline-formula>-wave-dominated cross section for masses below 10 GeV <xref ref-type="bibr" rid="c64">[64]</xref>. Some early studies on nonthermal production models have been illustrated, for example, in <xref ref-type="bibr" rid="c65 c66">[65,66]</xref>.</p></fn> This is particularly relevant for the scenarios of DM charged under <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. To our best knowledge, there are not recent systematic studies on the subject. Constraints from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>γ</mml:mi></mml:math></inline-formula> rays have been determined in <xref ref-type="bibr" rid="c57">[57]</xref> for the case of Higgsino DM [<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> doublet] in supersymmetry, ruling out masses below 300 GeV, hence leaving a window of viable masses for nonthermal production. Such range will be nevertheless completely probed by future experiments. Given the annihilation into gauge boson final states, antiprotons can be a similarly effective probe, although subject to larger uncertainties. Constraints on a generic scenario of nonthermal production of the supersymmetric wino DM [<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> triplet] have been determined in <xref ref-type="bibr" rid="c67">[67]</xref>.</p></sec><sec id="s4g"><label>G.</label><title>Final remarks</title><p>The ultimate success of dark matter detection efforts will likely require a coordinated approach combining multiple experimental strategies, sophisticated theoretical modeling, and innovative technologies that push beyond current paradigms. Our analysis demonstrates that the neutrino floor, rather than representing an insurmountable barrier, marks the beginning of a new era in dark matter searches—one characterized by unprecedented precision, novel detection concepts, and a deeper understanding of the rich theoretical landscape that connects particle physics, cosmology, and fundamental interactions.</p><p>The WIMP miracle relation <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:mn>3</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>26</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>cm</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> continues to provide theoretical motivation, even as experimental constraints push models toward increasingly complex scenarios involving loop-induced interactions, nonthermal production mechanisms, and exotic cosmological histories <xref ref-type="bibr" rid="c11 c21">[11,21]</xref>.</p><p>The journey toward understanding the nature of dark matter continues, with the neutrino floor serving not as a destination, but as a waypoint toward even more ambitious goals. The theoretical benchmarks established in this work provide a roadmap for this continuing quest, ensuring that the next generation of experiments will be optimally positioned to make the discoveries that will finally illuminate one of the Universe’s deepest mysteries. As we approach the limits of traditional detection methods, the interplay between theoretical innovation and experimental ingenuity will prove crucial in maintaining momentum toward the ultimate goal of dark matter discovery and characterization.</p></sec></sec></body><back><ack><title>ACKNOWLEDGMENTS</title><p>G. A. acknowledges support from the DAAD German Academic Exchange Service. G. A. thanks the MPIK for the warm hospitality during part of the completion of this work. This work is partly supported by the U.S. Department of Energy Grant No. de-sc0010107 (S. P.).</p></ack><sec sec-type="data-availability"><title>DATA AVAILABILITY</title><p>The data that support the findings of this article are not publicly available upon publication because it is not technically feasible and/or the cost of preparing, depositing, and hosting the data would be prohibitive within the terms of this research project. The data are available from the authors upon reasonable request.</p></sec><ref-list><ref id="c1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>1</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Billard</string-name>, <string-name>E. Figueroa-Feliciano</string-name>, and <string-name>L. Strigari</string-name></person-group>, <article-title>Implication of neutrino backgrounds on the reach of next generation dark matter direct detection experiments</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>89</volume>, <page-range>023524</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.89.023524</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>2</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>D. Akerib</string-name> <etal/> (<collab>LUX-ZEPLIN Collaboration</collab>)</person-group>, <article-title>Snowmass2021 cosmic frontier dark matter direct detection to the neutrino fog</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2203.08084</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>J. Dent</string-name>, <string-name>B. Dutta</string-name>, <string-name>J. Newstead</string-name>, and <string-name>L. Strigari</string-name></person-group>, <article-title>Effective field theory treatment of the neutrino background in direct dark matter detection experiments</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>95</volume>, <page-range>043511</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.95.043511</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>C. O’Hare</string-name></person-group>, <article-title>Can we overcome the neutrino floor at high masses?</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>102</volume>, <page-range>063024</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.102.063024</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>D. A. Sierra</string-name>, <string-name>N. Rojas</string-name>, and <string-name>M. Tytgat</string-name></person-group>, <article-title>Electronic bandstructure and optical gain of lattice matched III-V dilute nitride bismide quantum wells for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mn>1.55</mml:mn><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mi mathvariant="normal">μ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> optical communication systems</article-title>, <source>J. Appl. Phys.</source> <volume>120</volume>, <page-range>093111</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">JAPIAU</pub-id><issn>0021-8979</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1063/1.4962214</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>6</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Arcadi</string-name>, <string-name>F. Costa</string-name>, <string-name>A. Goudelis</string-name>, and <string-name>O. Lebedev</string-name></person-group>, <article-title>Higgs portal dark matter freeze-in at stronger coupling: Observational benchmarks</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2406.19110</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>T. Hambye</string-name>, <string-name>M. Tytgat</string-name>, <string-name>J. Vandecasteele</string-name>, and <string-name>L. Vanderheyden</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter direct detection is testing freeze-in</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>98</volume>, <page-range>075017</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.98.075017</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>C. Cosme</string-name>, <string-name>F. Costa</string-name>, and <string-name>O. Lebedev</string-name></person-group>, <article-title>Freeze-in at stronger coupling</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2023</volume>) <page-range>135</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP07(2023)135</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>P. Arias</string-name>, <string-name>N. Bernal</string-name>, <string-name>A. Herrera</string-name>, and <string-name>C. Maldonado</string-name></person-group>, <article-title>Reconstructing non-standard cosmologies with dark matter</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2019</volume>) <page-range>047</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">10.1088/1475-7516/2019/10/047</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>10</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Silva-Malpartida</string-name>, <string-name>N. Bernal</string-name>, <string-name>J. Jones-Pérez</string-name>, and <string-name>R. Lineros</string-name></person-group>, <article-title>From WIMPs to FIMPs: Impact of early matter domination</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2406.17284</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>F. Kahlhoefer</string-name>, <string-name>K. Schmidt-Hoberg</string-name>, <string-name>T. Schwetz</string-name>, and <string-name>S. Vogl</string-name></person-group>, <article-title>Implications of unitarity and gauge invariance for simplified dark matter models</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>016</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP02(2016)016</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>12</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Bélanger</string-name>, <string-name>S. Chakraborti</string-name>, and <string-name>A. Pukhov</string-name></person-group>, <article-title>EV-catcher: High-speed object catching using low-latency event-based neural networks</article-title>, in <source>IEEE Robotics and Automation Letters</source> (<year>2022</year>), <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2304.07200</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>S. Heeba</string-name>, <string-name>T. Lin</string-name>, and <string-name>K. Schutz</string-name></person-group>, <article-title>Inelastic freeze-in</article-title>, <source>J. Phys. A</source> <volume>56</volume>, <page-range>255003</page-range> (<year>2023</year>).<pub-id pub-id-type="coden">JPAMB5</pub-id><issn>1751-8113</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1751-8121/acd829</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>F. D’Eramo</string-name>, <string-name>N. Fernandez</string-name>, and <string-name>S. Profumo</string-name></person-group>, <article-title>When the Universe expands too fast: Relentless dark matter</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>012</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">10.1088/1475-7516/2017/05/012</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>15</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>F. D’Eramo</string-name>, <string-name>N. Fernandez</string-name>, and <string-name>S. Profumo</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter freeze-in production in fast-expanding Universes</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>046</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">10.1088/1475-7516/2018/02/046</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>M. Cirelli</string-name>, <string-name>N. Fornengo</string-name>, and <string-name>A. Strumia</string-name></person-group>, <article-title>Minimal dark matter</article-title>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B753</volume>, <page-range>178</page-range> (<year>2006</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.nuclphysb.2006.07.012</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>M. Cirelli</string-name>, <string-name>A. Strumia</string-name>, and <string-name>M. Tamburini</string-name></person-group>, <article-title>Cosmology and astrophysics of minimal dark matter</article-title>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B787</volume>, <page-range>152</page-range> (<year>2007</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.nuclphysb.2007.07.023</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>18</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>A. Alenezi</string-name>, <string-name>C. Cesarotti</string-name>, <string-name>S. Gori</string-name>, and <string-name>J. Shelton</string-name></person-group>, <article-title>Discovery prospects for a minimal dark matter model at cosmic and intensity frontier experiments</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2504.00077</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>J. Hisano</string-name>, <string-name>K. Ishiwata</string-name>, <string-name>N. Nagata</string-name>, and <string-name>T. Takesako</string-name></person-group>, <article-title>Direct detection of electroweak-interacting dark matter</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2011</volume>) <page-range>005</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP07(2011)005</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>F. Cirelli</string-name>, <string-name>F. Sala</string-name>, and <string-name>M. Taoso</string-name></person-group>, <article-title>Wino-like minimal dark matter and future colliders</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>033</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2014)033</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>G. Arcadi</string-name>, <string-name>C. Gross</string-name>, <string-name>O. Lebedev</string-name>, <string-name>S. Pokorski</string-name>, and <string-name>T. Toma</string-name></person-group>, <article-title>Evading direct dark matter detection in Higgs portal models</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>769</volume>, <page-range>129</page-range> (<year>2017</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.2017.03.044</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>G. Gelmini</string-name>, <string-name>V. Takhistov</string-name>, and <string-name>S. Witte</string-name></person-group>, <article-title>Casting a wide signal net with future direct dark matter detection experiments</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>07</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>009</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">10.1088/1475-7516/2018/07/009</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>C. Bœhm</string-name>, <string-name>S. Cebrían</string-name>, <string-name>P. Machado</string-name>, <string-name>A. O. Campo</string-name>, <string-name>E. Perdomo</string-name>, and <string-name>E. Reid</string-name></person-group>, <article-title>How high is the neutrino floor?</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>01</issue> (<volume>2019</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">10.1088/1475-7516/2019/01/043</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>W. Chao</string-name>, <string-name>J. Jiang</string-name>, and <string-name>X. Zhang</string-name></person-group>, <article-title>Direct detections of dark matter in the presence of non-standard neutrino interactions</article-title>, <source>Soft Matter</source> <volume>15</volume>, <page-range>6160</page-range> (<year>2019</year>).<pub-id pub-id-type="coden">SMOABF</pub-id><issn>1744-683X</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1039/C9SM00966C</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>J. H. Davis</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter vs neutrinos: The effect of astrophysical uncertainties and timing information on the neutrino floor</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>03</issue> (<volume>2015</volume>) <page-range>012</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">10.1088/1475-7516/2015/03/012</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>F. Kahlhoefer</string-name>, <string-name>K. Schmidt-Hoberg</string-name>, <string-name>T. Schwetz</string-name>, and <string-name>S. Vogl</string-name></person-group>, <article-title>Implications of unitarity and gauge invariance for simplified dark matter models</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>016</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP02(2016)016</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>C. Arina</string-name>, <string-name>B. Fuks</string-name>, <string-name>L. Mantani</string-name>, <string-name>H. Mies</string-name>, <string-name>L. Panizzi</string-name>, and <string-name>J. Salko</string-name></person-group>, <article-title>Closing in on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>-channel simplified dark matter models</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>813</volume>, <page-range>136038</page-range> (<year>2021</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.2020.136038</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>G. Arcadi</string-name>, <string-name>L. Calibbi</string-name>, <string-name>M. Fedele</string-name>, and <string-name>F. Mescia</string-name></person-group>, <article-title>Systematic approach to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>-physics anomalies and t-channel dark matter</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>104</volume>, <page-range>115012</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.104.115012</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>G. Arcadi</string-name>, <string-name>L. Calibbi</string-name>, <string-name>M. Fedele</string-name>, and <string-name>F. Mescia</string-name></person-group>, <article-title>Muon <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>B</mml:mi></mml:math></inline-formula>-anomalies from dark matter</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>127</volume>, <page-range>061802</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.127.061802</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>C. Arina</string-name>, <string-name>B. Fuks</string-name>, <string-name>J. Heisig</string-name>, <string-name>M. Krämer</string-name>, <string-name>L. Mantani</string-name>, and <string-name>L. Panizzi</string-name></person-group>, <article-title>Comprehensive exploration of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-channel simplified models of dark matter</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>108</volume>, <page-range>115007</page-range> (<year>2023</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.108.115007</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>G. Arcadi</string-name>, <string-name>D. Cabo-Almeida</string-name>, <string-name>F. Mescia</string-name>, and <string-name>J. Virto</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter direct detection in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-channel mediator models</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2024</volume>) <page-range>005</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2024/02/005</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>C. Arina</string-name> <etal/></person-group>, <article-title><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="sans-serif">t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>-channel dark matter at the LHC</article-title>, <source>Eur. Phys. J. C</source> <volume>85</volume>, <page-range>975</page-range> (<year>2025</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/s10052-025-14635-7</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c33"><label>[33]</label><mixed-citation id="c33a" publication-type="journal"><object-id>33a</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Cirelli</string-name>, <string-name>F. Sala</string-name>, and <string-name>M. Taoso</string-name></person-group>, <article-title>Wino-like minimal dark matter and future colliders</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2014</volume>) <page-range>033</page-range>; <pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2014)033</pub-id></mixed-citation><mixed-citation id="c33b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>33b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>M. Cirelli</string-name>, <string-name>F. Sala</string-name>, and <string-name>M. Taoso</string-name></person-group><source>J. High Energy Phys.</source><issue>01</issue> (<volume>2015</volume>) <page-range>041(E)</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP01(2015)041</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>M. Garny</string-name>, <string-name>J. Heisig</string-name>, <string-name>B. Lülf</string-name>, and <string-name>S. Vogl</string-name></person-group>, <article-title>Coannihilation without chemical equilibrium</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>96</volume>, <page-range>103521</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.96.103521</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>R. T. D’Agnolo</string-name>, <string-name>D. Pappadopulo</string-name>, and <string-name>J. T. Ruderman</string-name></person-group>, <article-title>Fourth exception in the calculation of relic abundances</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>119</volume>, <page-range>061102</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.119.061102</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>L. Covi</string-name>, <string-name>J. E. Kim</string-name>, and <string-name>L. Roszkowski</string-name></person-group>, <article-title>Axinos as cold dark matter</article-title>, <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>82</volume>, <page-range>4180</page-range> (<year>1999</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRLTAO</pub-id><issn>0031-9007</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevLett.82.4180</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c37"><label>[37]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>37</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. L. Feng</string-name>, <string-name>A. Rajaraman</string-name>, and <string-name>F. Takayama</string-name></person-group>, <article-title>SuperWIMP dark matter signals from the early Universe</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>68</volume>, <page-range>063504</page-range> (<year>2003</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.68.063504</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>K. Griest</string-name> and <string-name>D. 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="c39"><label>[39]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>39</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>P. Gondolo</string-name> and <string-name>G. Gelmini</string-name></person-group>, <article-title>Cosmic abundances of stable particles: Improved analysis</article-title>, <source>Nucl. Phys.</source> <volume>B360</volume>, <page-range>145</page-range> (<year>1991</year>).<pub-id pub-id-type="coden">NUPBBO</pub-id><issn>0550-3213</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0550-3213(91)90438-4</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>G. Arcadi</string-name>, <string-name>C. Gross</string-name>, <string-name>O. Lebedev</string-name>, <string-name>S. Pokorski</string-name>, and <string-name>T. Toma</string-name></person-group>, <article-title>Evading direct dark matter detection in Higgs portal models</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>769</volume>, <page-range>129</page-range> (<year>2017</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.2017.03.044</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>G. Arcadi</string-name> and <string-name>S. Profumo</string-name></person-group>, <article-title>WIMPs below the radar: Blind spots and benchmarks beyond the neutrino floor</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2025</volume>) <page-range>123</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP10(2025)123</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>G. B. Gelmini</string-name> and <string-name>P. Gondolo</string-name></person-group>, <article-title>Neutralino with the right cold dark matter abundance in (almost) any supersymmetric model</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>74</volume>, <page-range>023510</page-range> (<year>2006</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.74.023510</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>P. Arias</string-name>, <string-name>N. Bernal</string-name>, <string-name>A. Herrera</string-name>, and <string-name>C. Maldonado</string-name></person-group>, <article-title>Reconstructing non-standard cosmologies with dark matter</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2019</volume>) <page-range>047</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">10.1088/1475-7516/2019/10/047</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c44"><label>[44]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>44</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Arcadi</string-name></person-group>, <article-title>Thermal and non-thermal DM production in non-standard cosmologies: A mini review</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2406.11042</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>N. Bernal</string-name> and <string-name>Y. Xu</string-name></person-group>, <article-title>WIMPs during reheating</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>12</issue> (<volume>2022</volume>) <page-range>017</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">10.1088/1475-7516/2022/12/017</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c46"><label>[46]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>46</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>J. Silva-Malpartida</string-name>, <string-name>N. Bernal</string-name>, <string-name>J. Jones-Pérez</string-name>, and <string-name>R. A. Lineros</string-name></person-group>, <article-title>From WIMPs to FIMPs with low reheating temperatures</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>09</issue> (<volume>2023</volume>) <page-range>015</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">10.1088/1475-7516/2023/09/015</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c47"><label>[47]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>47</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. Bernal</string-name>, <string-name>K. Deka</string-name>, and <string-name>M. Losada</string-name></person-group>, <article-title>Thermal dark matter with low-temperature reheating</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>09</issue> (<volume>2024</volume>) <page-range>024</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">10.1088/1475-7516/2024/09/024</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c48"><label>[48]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>48</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. E. Henrich</string-name>, <string-name>M. Gross</string-name>, <string-name>Y. Mambrini</string-name>, and <string-name>K. A. Olive</string-name></person-group>, <article-title>Ultra-relativistic freeze-out during reheating</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>112</volume>, <page-range>103538</page-range> (<year>2025</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>2470-0010</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/6yrm-g8t2</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>G. F. Giudice</string-name>, <string-name>E. W. Kolb</string-name>, and <string-name>A. Riotto</string-name></person-group>, <article-title>Largest temperature of the radiation era and its cosmological implications</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>64</volume>, <page-range>023508</page-range> (<year>2001</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.64.023508</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>G. Arcadi</string-name> and <string-name>P. Ullio</string-name></person-group>, <article-title>Accurate estimate of the relic density and the kinetic decoupling in non-thermal dark matter models</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>84</volume>, <page-range>043520</page-range> (<year>2011</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.84.043520</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>V. Shtabovenko</string-name>, <string-name>R. Mertig</string-name>, and <string-name>F. Orellana</string-name></person-group>, <article-title><sc>f</sc>eyn<sc>c</sc>alc 10: Do multiloop integrals dream of computer codes?</article-title>, <source>Comput. Phys. Commun.</source> <volume>306</volume>, <page-range>109357</page-range> (<year>2025</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CPHCBZ</pub-id><issn>0010-4655</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.cpc.2024.109357</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>V. Shtabovenko</string-name>, <string-name>R. Mertig</string-name>, and <string-name>F. Orellana</string-name></person-group>, <article-title><sc>f</sc>eyn<sc>c</sc>alc 9.3: New features and improvements</article-title>, <source>Comput. Phys. Commun.</source> <volume>256</volume>, <page-range>107478</page-range> (<year>2020</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CPHCBZ</pub-id><issn>0010-4655</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.cpc.2020.107478</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c53"><label>[53]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>53</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>V. Shtabovenko</string-name>, <string-name>R. Mertig</string-name>, and <string-name>F. Orellana</string-name></person-group>, <article-title>New developments in <sc>f</sc>eyn<sc>c</sc>alc 9.0</article-title>, <source>Comput. Phys. Commun.</source> <volume>207</volume>, <page-range>432</page-range> (<year>2016</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CPHCBZ</pub-id><issn>0010-4655</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/j.cpc.2016.06.008</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c54"><label>[54]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>54</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>R. Mertig</string-name>, <string-name>M. Bohm</string-name>, and <string-name>A. Denner</string-name></person-group>, <article-title>FEYN CALC: Computer algebraic calculation of Feynman amplitudes</article-title>, <source>Comput. Phys. Commun.</source> <volume>64</volume>, <page-range>345</page-range> (<year>1991</year>).<pub-id pub-id-type="coden">CPHCBZ</pub-id><issn>0010-4655</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1016/0010-4655(91)90130-D</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>G. Gelmini</string-name>, <string-name>P. Gondolo</string-name>, <string-name>A. Soldatenko</string-name>, and <string-name>C. E. Yaguna</string-name></person-group>, <article-title>The effect of a late decaying scalar on the neutralino relic density</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>74</volume>, <page-range>083514</page-range> (<year>2006</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.74.083514</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>D. J. H. Chung</string-name>, <string-name>E. W. Kolb</string-name>, and <string-name>A. Riotto</string-name></person-group>, <article-title>Production of massive particles during reheating</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>60</volume>, <page-range>063504</page-range> (<year>1999</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.60.063504</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>L. Aparicio</string-name>, <string-name>M. Cicoli</string-name>, <string-name>B. Dutta</string-name>, <string-name>F. Muia</string-name>, and <string-name>F. Quevedo</string-name></person-group>, <article-title>Light Higgsino dark matter from non-thermal cosmology</article-title>, <source>J. High Energy Phys.</source> <issue>11</issue> (<volume>2016</volume>) <page-range>038</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JHEPFG</pub-id><issn>1029-8479</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1007/JHEP11(2016)038</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>F. D’Eramo</string-name>, <string-name>N. Fernandez</string-name>, and <string-name>S. Profumo</string-name></person-group>, <article-title>When the Universe expands too fast: Relentless dark matter</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>05</issue> (<volume>2017</volume>) <page-range>012</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">10.1088/1475-7516/2017/05/012</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>P. Salati</string-name></person-group>, <article-title>Quintessence and the relic density of neutralinos</article-title>, <source>Phys. Lett. B</source> <volume>571</volume>, <page-range>121</page-range> (<year>2003</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.2003.07.073</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>S. Profumo</string-name> and <string-name>P. Ullio</string-name></person-group>, <article-title>SUSY dark matter and quintessence</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>11</issue> (<volume>2003</volume>) <page-range>006</page-range>.<pub-id pub-id-type="coden">JCAPBP</pub-id><issn>1475-7516</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1088/1475-7516/2003/11/006</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>K. Choi</string-name></person-group>, <article-title>String or M theory axion as a quintessence</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>62</volume>, <page-range>043509</page-range> (<year>2000</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.62.043509</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>F. D’Eramo</string-name>, <string-name>N. Fernandez</string-name>, and <string-name>S. Profumo</string-name></person-group>, <article-title>Dark matter freeze-in production in fast-expanding Universes</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>02</issue> (<volume>2018</volume>) <page-range>046</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">10.1088/1475-7516/2018/02/046</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c63"><label>[63]</label><mixed-citation publication-type="eprint"><object-id>63</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>G. Arcadi</string-name>, <string-name>D. Cabo-Almeida</string-name>, <string-name>M. Dutra</string-name>, <string-name>P. Ghosh</string-name>, <string-name>M. Lindner</string-name>, <string-name>Y. Mambrini</string-name>, <string-name>J. P. Neto</string-name>, <string-name>M. Pierre</string-name>, <string-name>S. Profumo</string-name>, and <string-name>F. Queiroz</string-name></person-group>, <article-title>The waning of the WIMP: Endgame?</article-title>, <pub-id pub-id-type="arxiv">arXiv:2410.16520</pub-id>.</mixed-citation></ref><ref id="c64"><label>[64]</label><mixed-citation id="c64a" publication-type="journal"><object-id>64a</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><mixed-citation id="c64b" publication-type="journal" specific-use="authorjournal"><object-id>64b</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>N. Aghanim</string-name> <etal/> (<collab>Planck Collaboration</collab>)</person-group><source>Astron. Astrophys.</source><volume>652</volume>, <page-range>C4(E)</page-range> (<year>2021</year>).<pub-id pub-id-type="coden">AAEJAF</pub-id><issn>0004-6361</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1051/0004-6361/201833910e</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>S. Galli</string-name>, <string-name>F. Iocco</string-name>, <string-name>G. Bertone</string-name>, and <string-name>A. Melchiorri</string-name></person-group>, <article-title>CMB constraints on dark matter models with large annihilation cross-section</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>80</volume>, <page-range>023505</page-range> (<year>2009</year>).<pub-id pub-id-type="coden">PRVDAQ</pub-id><issn>1550-7998</issn><pub-id pub-id-type="doi" specific-use="suppress-display">10.1103/PhysRevD.80.023505</pub-id></mixed-citation></ref><ref id="c66"><label>[66]</label><mixed-citation publication-type="journal"><object-id>66</object-id><person-group person-group-type="author"><string-name>S. Galli</string-name>, <string-name>F. Iocco</string-name>, <string-name>G. Bertone</string-name>, and <string-name>A. Melchiorri</string-name></person-group>, <article-title>Updated CMB constraints on dark matter annihilation cross-sections</article-title>, <source>Phys. Rev. D</source> <volume>84</volume>, <page-range>027302</page-range> (<year>2011</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.84.027302</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>T. Cohen</string-name>, <string-name>M. Lisanti</string-name>, <string-name>A. Pierce</string-name>, and <string-name>T. R. Slatyer</string-name></person-group>, <article-title>Wino dark matter under siege</article-title>, <source>J. Cosmol. Astropart. Phys.</source> <issue>10</issue> (<volume>2013</volume>) <page-range>061</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">10.1088/1475-7516/2013/10/061</pub-id></mixed-citation></ref></ref-list></back></article>
