[論文レビュー] A dark force for baryons

Michael L. Graesser, Ian M. Shoemaker+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 77被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、陽子の安定性を保証し、GeVスケールのダークマター候補を生成する、自発的破れを持つU(1)_Bゲージ対称性を介してバリオンとダークマターの統一的起源を提案する。SUSYモデルにおけるアフレック＝ダイン機構により、バリオンとダークマターの非対称性が同時に生成され、Z_B媒介による散乱によってダークマターの残存密度が決定され、GeVスケールの媒介子に対しても直接検出およびコライダー制約と整合的である。

ABSTRACT

We suggest the existence of a fundamental connection between baryonic and dark matter. This is motivated by both the stability of these two types of matter as well as the observed similarity of their present-day densities. A unified genesis of baryonic and dark matter is natural in models in which the baryon number is promoted to a spontaneously broken local gauge symmetry. This is illustrated in a specific class of SUSY models using the Affleck-Dine mechanism. The dark matter candidate in these scenarios is charged under the baryon gauge symmetry and must have a mass around the GeV scale to give the correct present-day abundance. We discuss constraints from B-factories, LEP, mono-jet searches at the Tevatron, and dark matter direct detection experiments. A baryonic dark force is shown to be consistent with all data for mediators as light as the GeV scale.

研究の動機と目的

• 観測されたバリオンとダークマターの残存密度の類似性を、統一的生成メカニズムによって説明すること。
• バリオン数を局所的U(1)_Bゲージ対称性に昇格させることで陽子の安定性を確保し、すべての位階で保存が保証されること。
• バリオンと同じゲージ系に自然に生じる、質量がGeVスケールのダークマター候補を特定すること。
• 広いパラメータ空間において、宇宙論的、コライダー的、直接検出的制約と整合すること。
• SUSYモデルにおけるアフレック＝ダイン機構が、バリオンとダークマターの非対称性を同時に生成することを示すこと。

提案手法

• バリオン数を局所的U(1)_Bゲージ対称性に昇格させ、新たな異常なグローバル対称性と新しいゲージボソンZ_Bを導く。
• SMノーカイのスカラーフィールドXをダークマター候補として導入し、U(1)_Bにおける電荷によって安定化させる。
• 超対称的平坦な方向を用いて、バリオンとダークマターの非対称性を同時に生成するアフレック＝ダイン機構を実装する。
• 異常キャンセレーションのため、特定のU(1)_B電荷を持つExoticクォークを導入し、スカラーフィールドを介した崩壊を許容する。
• バリオンとダークマターの数の保存を統一する、非異常な偶然のグローバル対称性U(1)_Dを構築する。
• Z_B媒介による散乱を通じて残存密度を計算し、Bファクトリー、LEP、Tevatronモノジェット、および直接検出データを用いて結合定数を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自発的破れを持つU(1)_Bゲージ対称性を介して、バリオンとダークマターの統一的起源を達成できるか？
• RQ2 SUSYモデルにおけるアフレック＝ダイン機構が、どのように同時にバリオンとダークマターの非対称性を生成するか？
• RQ3 観測された残存密度を再現するためのダークマター候補の質量範囲は何か？
• RQ4 Bファクトリー、LEP、Tevatronモノジェット探索、および直接検出実験からの制約がモデルに与える影響は何か？
• RQ5 ベクトル的カップリングを持つダークマター候補が、軽量（GeVスケール）かつ安定であるにもかかわらず、直接検出限界と整合的であるか？

主な発見

• ダークマター候補はU(1)_Bゲージ対称性に電荷を持つGeVスケールの粒子であり、正しい残存密度を再現するため、自然に1GeV未塔から数十GeVの範囲に質量が制約される。
• アフレック＝ダイン機構によるバリオンとダークマターの非対称性の同時生成は、初期の非対称性比η_B/η_X ≈ 1をもたらし、観測された残存密度の類似性を説明する。
• Z_Bゲージボソンへのベクトル的カップリングの場合、直接検出制約を回避するため、ダークマター候補は約GeVスケールに限定され、現在の実験的限界と整合的である。
• Z_B媒介子の質量がGeVスケールにまで軽くても、Bファクトリー、LEP、Tevatronモノジェット、および直接検出実験のすべての既存制約と整合する。
• 高温におけるμ_u = μ_d、μ_e = μ_ν = 0、およびμ_0 = 0の解は、レプトン数の洗い流しを保証するが、非異常なU(1)_D対称性によりバリオン数は保存される。
• スファラロン過程は電弱相転移温度より上では非作用的になり、化学ポテンシャルの解（μ_0 = 0）によりバリオン数非対称性は保存され、レプトン数は洗い流される。