[論文レビュー] A Hidden Valley model of cold dark matter

J. Królikowski|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、冷たい暗黒物質がステリルディラクフェルミオン（ステリノ）とスカラー・ボソン（ステロン）から成り立つ隠れた谷モデルを提案する。質量は真空期待値によって生成される。モデルは、電磁場とステリル粒子の弱い結合による光子ポータルを導入し、重力的相互作用以外の相互作用を通じて標準模型と通信可能にするとともに、冷たい暗黒物質の性質を維持する。

ABSTRACT

In the discussed model, the cold dark matter consists of Dirac spin-1/2 fermions, sterile from all Standard Model charges, where masses are generated by a nonzero vacuum expectation value of a field of scalar bosons, also assumed to be sterile. For convenience, these sterile particles have beeen called sterinos and sterons, respectively. It has been conjectured that our sterile world of sterinos and sterons can communicate with the familiar Standard Model world not only through gravity, but also through a photonic portal provided by a very weak effective interaction involving the electromagnetic field F_{\mu u} = \partial_\mu A_ u - \partial_ u A_\mu coupled to the sterino and steron fields.

研究の動機と目的

• 標準模型の力と相互作用しないステリルフェルミオンおよびスカラーから成る実現可能な冷たい暗黒物質候補を提示すること。
• 標準模型の場への直接結合なしに、暗黒物質の安定性と質量生成を説明する課題に対処すること。
• ステリル粒子が電磁場と相互作用できる弱い結合の光子ポータルを導入し、間接的検出の可能性を提供すること。
• 可視領域との非重力的相互作用を許容しつつも、モデルの冷たい暗黒物質の性質を維持すること。

提案手法

• すべての標準模型ゲージ対称性に対してステリルであるスピン1/2のディラックフェルミオン（ステリノ）とスカラー・ボソン（ステロン）を導入する。
• ステリノとステロンの質量を、ステリルスカラー場の非ゼロの真空期待値によって生成する。
• 電磁場強度テンソル $ F_{\mu\nu} $ とステリノおよびステロン場を結合する有効相互作用項を導入する。
• ポータルのステリル性と弱い結合性を保つために、相互作用を極めて抑制する。
• 有効ラグランジアンの構造を用いて、光子ポータルをキネティック混合に類似た結合としてモデル化する。
• 特に冷たい暗黒物質の挙動に関して、宇宙論的制約とモデルの整合性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステリルフェルミオンおよびスカラーの隠れたセクターが、真空期待値による質量生成を伴い、整合的な冷たい暗黒物質候補を提供できるか？
• RQ2 ステリル粒子は重力以外の何によって標準模型と通信できるのか？そのようなポータルはどのような形を取り得るか？
• RQ3 電磁場とステリル粒子を含む弱い結合の光子ポータルがもたらす物性的結果は何か？
• RQ4 可視領域との非重力的相互作用を導入しても、モデルの冷たい暗黒物質の性質を維持することが可能か？

主な発見

• モデルは、真空期待値による質量生成を経て、安定な冷たい暗黒物質候補を実現する。その候補は、ステリルディラックフェルミオン（ステリノ）とスカラー・ボソン（ステロン）から成る。
• ステリルセクターは、電磁場強度テンソル $ F_{\mu\nu} $ を含む弱い結合の光子ポータルを通じて、標準模型と通信する。
• 相互作用は十分に抑制されており、粒子のステリル性が保たれ、精密電弱測定と矛盾しない。
• モデルは非重力的暗黒物質相互作用の実現可能なフレームワークを提供し、光子の印旽数による間接的検出の道筋を開く。