[論文レビュー] 21cm absorption signal from charge sequestration

Adam Falkowski, Kalliopi Petraki|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Particle Detector Development and Performance被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、宇宙論的豊度を持つ安定で負に帯電した粒子が再結合期における電子密度を抑制し、バリオンガスとCMBの結合が早期に解けることにより、ガス温度が著しく低下することを提案する。これにより、z ~ 17における21cm吸収信号が強化され、EDGES観測と整合的になる。また、既存の制約を回避可能なsub-eVミリ電荷粒子、MeVスケールの粒子、もしくはTeVスケールの多電荷粒子の有効なパラメータ領域を同定する。

ABSTRACT

The unexpectedly strong 21cm absorption signal detected by the EDGES experiment suggests that the baryonic gas was colder at redshift $z\sim 17$ than predicted in the standard scenario. We discuss a mechanism to lower the baryon temperature after recombination. We introduce a stable, negatively-charged particle with a non-negligible cosmological abundance, such that the universe remains charge-neutral but the electron and proton numbers are no longer equal. The deficit of electrons during recombination results in an earlier decoupling of the baryon gas temperature from that of the CMB. This implies a smaller ratio of the gas and CMB temperature at $z\sim 17$. The parameter space of the mechanism where the 21 cm absorption signal is significantly enhanced is probed by the CMB spectrum, cooling of stars and supernovae, and colliders. Nevertheless, we find viable regions corresponding to sub-eV or MeV-scale milli-charged particles, or to TeV-scale multi-charged particles.

研究の動機と目的

• z ~ 17におけるEDGESが観測した異常に強い21cm吸収信号を、標準的なΛCDM予測とは食い違うものとして説明すること。
• ダークマターとバリオンの相互作用とは異なる、ダークエイジ期におけるバリオンガスの冷却機構の代替を探索すること。
• 再結合期における電子豊度を抑制できる、安定で負に帯電した粒子—特にそのような粒子—を同定すること。
• CMBスペクトル歪み、星の冷却、超新星冷却、加速器探索からの制約を含め、こうした粒子の宇宙論的・天体物理学的制約を評価すること。
• 将来の観測、特に21cm調査および直接検出実験における検証可能な予測を提示すること。

提案手法

• 非無視可能な豊度を持つ安定で負に帯電した粒子Xを導入し、電荷中性条件を n_e ≠ n_p に修正する。
• 水素再結合の3準位原子モデルを用い、修正されたイオン化分率を含む修正された進化方程式 (3) を導入し、電子密度の低減を反映させる。
• イオン化分率 x_e とガス温度 T_g の連立進化方程式 (式 4a–4b) を解き、コンプトン散乱率の低減に起因する早期の分離を示す。
• 標準的な T_21 公式を用いて21cm信号の振幅を計算し、T_g が T_γ に対して低下する場合に吸収信号が強化されることを示す。
• CMBスペクトル歪み、星の冷却、超新星冷却、加速器探索からの制約を適用し、Xのパラメータ空間を制限する。
• Xの生成メカニズムとして、重い粒子の後期崩壊を検討し、その残余豊度と熱的歴史を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的豊度を持つ安定で負に帯電した粒子が再結合期に電子密度を低下させ、標準的なΛCDMと比較してバリオンガスを早期に冷却できるか？
• RQ2 z ~ 17における21cm吸収信号の増幅はどの程度で、EDGES観測の T_21 ≈ -0.5 K を説明できるか？
• RQ3 CMBスペクトル歪み、星の冷却、加速器探索からの制約を課した後も、残存する粒子パラメータ（電荷、質量、豊度）は何か？
• RQ4 こうした粒子がダークマターを占めつつ、有効な相対的自由度数（ΔN_eff）と整合的であるか？
• RQ5 将来の21cm調査、直接検出、またはX線観測でこうした粒子の検出可能なシグナルは何か？

主な発見

• 再結合期における電子不足は、バリオンガスがCMBと早期に分離し、z ~ 17におけるT_gを低下させる。
• このメカニズムにより、T_γ / T_g の比が上昇し、21cm吸収信号が強化される。ε_X r_X ≳ 10^{-4} のとき、最も顕著な強化が観測される。
• sub-eVミリ電荷粒子（ε_X ≲ 10^{-14}）、すべてまたは一部のダークマターを占めるMeVスケールの粒子、TeVスケールの多電荷粒子の有効なパラメータ領域が存在する。
• 特にX粒子が物質-放射の等価期において相対論的でない場合、CMBスペクトル歪み、星の冷却、超新星冷却の制約と整合的である。
• 本モデルは、ダークエイジ期（z ~ 200）に強い21cm吸収信号を予測する。これは、近い将来の低周波数電波調査で検証可能である。
• X粒子は、特にミリ電荷領域では直接検出（直接検出）、宇宙線探索、またはハロ内のp-X原子状態からのX線放射（ε_X ≳ 1）によって検出可能である可能性がある。