[論文レビュー] A Multicomponent Dark Matter in a Model with Mirror Symmetry with Additional Charged Scalars

Mirza Satriawan|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、追加の電荷を帯びたスカラーを有する鏡対称性に基づく、多成分のダークマター模型を提案する。鏡光子は鏡スカラーの非ゼロな真空期待値（VEV）によって大きな質量を獲得し、これにより鏡ダブルット電子から生じるkeVスケールのウォームダークマター成分と、より重い鏡核子から生じるコールドダークマター成分が得られる。この模型は、鏡シングレット電子の遅い崩壊によるエントロピー生成を通じてビッグバン核合成（BBN）制約を満たし、コールド・ウォームダークマター比はヒッグスおよび鏡ヒッグス場のVEV比によって決定される。

ABSTRACT

A model with a mirror symmetry whose particles content consist of the ordinary SM particles (plus the right handed neutrinos) and their parity mirror partners, can provide a multicomponent dark matter consist of cold and warm dark matter components. I add to the original mirror model a singlet scalar and its mirror partner, whose quantum numbers are the same as the singlet right handed electron (and its mirror-partner). The new scalar can have a zero VEV, while its mirror partner VEV is non zero. As consequences mirror photon will obtain mass whose order is around the neutral mirror weak boson mass, rendering the mirror electromagnetic-like interaction similar like a mirror weak interaction. There is a mixing among the ordinary neutrinos, mirror neutrinos, the singlet and the doublet mirror electrons. As a result the mirror doublet electrons can have masses in the keV order, becoming the warm dark matter component of this model. The cold dark matter component comes from the mirror nucleons that can have mass larger than the ordinary nucleons. The Big Bang Nucleosynthesys constraint can be avoided by a large entropy production in the ordinary sector due to a slow decay of mirror singlet electrons. The temperature ratio of the two sectors is approximately proportional to the ratio of the VEV's of the ordinary and mirror Higgs, and this also will determine the cold-warm dark matter contribution to the cosmic energy density.

研究の動機と目的

• 宇宙論における小スケール構造問題を解決するため、コールドおよびウォームダークマターの混合状況を提案すること。
• ウォームダークマターモデルとLyman-αフォレスト制約との間の矛盾を解消するため、keVスケールのウォーム成分を導入すること。
• 鏡シングレット電子の遅い崩壊によるエントロピー生成を可能にすることで、ビッグバン核合成（BBN）制約を回避すること。
• 追加のスカラー場を有する修正された鏡モデルを通じて、コールドおよびウォーム成分を併せ持つ実現可能なダークマター系を構築すること。
• コールド・ウォームダークマター比とヒッグスおよび鏡ヒッグス場の真空期待値（VEV）比との間の関係を確立すること。

提案手法

• 右側電子およびその鏡パートナーと同じ量子数を有する新しいスカラー場とその鏡パートナーを導入する。
• 鏡スカラーに非ゼロのVEVを与えることで鏡対称性を破り、U(1)Xゲージボソンを介して鏡光子に大きな質量を付与する。
• 得られた鏡光子質量を用いて、長距離作用を抑制することで、バブルクラスター観測との矛盾を回避する。
• 通常のフェルミオンと鏡フェルミオンの間の混合（ニュートリノ、シングレット、鏡ダブルット電子）を導入し、鏡ダブルット電子にkeVスケールの質量を付与する。
• 鏡シングレット電子が通常のセクターに崩壊することでエントロピーを生成し、これにより通常セクターの温度が鏡セクターに対して上昇することを可能にする。
• 相対論的統計力学とエントロピー保存則を用いて、温度比と鏡電子質量の関数として鏡ダブルット電子のエネルギー密度を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鏡スカラーの非ゼロなVEVが、鏡光子に大きな質量を付与し、長距離作用を抑制する鏡電磁相互作用を抑制できるか？
• RQ2 通常のフェルミオンと鏡フェルミオンの間の混合が、鏡ダブルット電子にkeVスケールの質量をもたらすか？これによりウォームダークマター候補として成立するか？
• RQ3 鏡シングレット電子が通常セクターに崩壊することで、十分なエントロピーが生成され、ビッグバン核合成制約を満たせるか？
• RQ4 コールド・ウォームダークマター比は、ヒッグスおよび鏡ヒッグス場のVEV比にどのように依存するか？
• RQ5 鏡ダブルット電子の貢献は、合計ダークマターエネルギー密度にどの程度寄与するか？観測制約と整合するように調整可能か？

主な発見

• 鏡スカラーの非ゼロなVEVにより、鏡光子は中性鏡弱ボソン質量と同等の大きな質量を獲得し、長距離作用を抑制する。
• シングレットスカラーおよび鏡ニュートリノとの混合を通じて、鏡ダブルット電子はkeVスケールの質量を獲得し、実現可能なウォームダークマター候補となる。
• モデルは、温度比 T′/T = 0.1 の場合 Ω_E ≈ 0.5 Ω_B、T′/T = 0.2 の場合 Ω_E ≈ 4.8 Ω_B というウォームダークマター成分を予測する。これは鏡電子質量と温度比に依存する。
• コールドダークマター成分はより重い鏡核子から生じる。ξ ≈ 0.1 の場合、m_p′ ≈ 1.8 GeV であり、合計ダークマター密度に顕著な寄与を示す。
• 鏡シングレット電子の遅い崩壊によるエントロピー生成により、鏡セクターは通常セクターよりも冷たく保たれ、ビッグバン核合成制約を満たす。
• コールド・ウォームダークマター比は、間接的にVEV比 ξ に支配され、将来的なヒッグス混合またはステアラ・アクティブニュートリノ混合の測定によってモデルを検証可能となる。