[論文レビュー] A Scenario of Heavy Baryonic Dark Matter

Ran Huo, Shigeki Matsumoto+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、隠れたSU(3)ベクトル型の強いゲージ理論から生じるバリオンと反バリオンから成る複合暗黒物質モデルを提案する。このモデルは、ユニタリティに飽和した散乱によって観測された暗黒物質の残存密度を自然に説明し、偶然的な暗黒バリオン数対称性によって長期間にわたる安定性を確保する。予測される寿命は現在の観測限界に近く、AMS-02の反陽子データと調和する可能性を有する。

ABSTRACT

We consider a general class of models in which dark matter is a composite baryonic and antibaryonic particle of some hidden vector-like strong gauge theory. The model building provides simple answers to two basic questions: Annihilation between dark baryon and antibaryon saturates the unitarity bound, which in thermal freeze out predicts the scale of dark matter particle to be about 150 TeV. And the dark matter stability is a result of the accidental dark baryon number, which can still be violated by operators suppressed by large scales, leading to tiny decay rate. We show that annihilation between dark baryon and anti-baryon seems difficult to be detected in the galaxy center in the near future. On the other hand in the minimal model of $SU(3)$ hidden strong gauge group with a Planck scale suppression, the dark matter life time happens to be marginal to the current detection bound, and can explain the current AMS-02 antiproton results.

研究の動機と目的

• 複合暗黒物質モデルにおいて、暗黒バリオンと反暗黒バリオンのユニタリティに飽和した散乱によって、自然に残存密度が説明されるような暗黒物質モデルを構築すること。
• 高次元で抑制されたオペレーターによる崩壊が可能であるが、偶然的な暗黒バリオン数対称性によって暗黒物質の安定性を保証すること。
• 銀河中心における暗黒物質散乱の検出可能性を、特に間接検出の観点から評価すること。
• このモデルが、宇宙論的・天体物理学的制約に反しない範囲でAMS-02の反陽子過剰を説明できるかどうかを検討すること。

提案手法

• SU(3)ゲージ群とベクトル型クォークを有する隠れた強いゲージ理論を構築し、複合暗黒バリオンと反暗黒バリオンを形成する。
• ユニタリティに制限された散乱断面積を用いた熱的凍結アウト計算により、暗黒物質の質量スケール（約150 TeV）を導出する。
• 偶然的な暗黒バリオン数対称性を、暗黒物質の安定性を保証するメカニズムとして同定する。
• 暗黒バリオン数を破る次元6のオペレーターの抑制スケールを評価し、それによる崩壊率を推定する。
• 暗黒物質崩壊からの予想される反陽子フラックスを計算し、AMS-02のデータと比較する。
• 現在および近い将来の感度限界を考慮して、銀河中心における暗黒物質散乱信号の検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニタリティに飽和した散乱が生じる複合暗黒物質モデルにおいて、自然に生じる暗黒物質の質量スケールは何か？
• RQ2 偶然的な暗黒バリオン数対称性は、高次元オペレーターによる抑制を許容しつつ、長寿命な暗黒物質をどのように保証するか？
• RQ3 このモデルは、AMS-02が測定した反陽子の過剰を説明できるか？
• RQ4 なぜ銀河中心における暗黒物質散乱の直接検出は近い将来に難しいのか？
• RQ5 プランクスケールでの抑制が、暗黒物質の寿命と観測との整合性をどのように決定づけるか？

主な発見

• 暗黒物質の質量は約150 TeVと予測され、ユニタリティに飽和した散乱のもとでの熱的凍結アウト計算と整合的である。
• 偶然的な暗黒バリオン数対称性が、暗黒物質の急速な崩壊を防ぎつつ、微小だが非ゼロの崩壊率を許容する。
• このモデルが予測する、暗黒物質崩壊に起因する反陽子フラックスは、現在のAMS-02データと整合的であり、特に抑制スケールがプランクスケールにある場合に顕著である。
• 最小のSU(3)モデルにおける暗黒物質の寿命は、現在の観測下限にわずかに上回っており、実現可能な候補である。
• 銀河中心における散乱信号は、断面積が不十分で、天体物理学的背景の影響が大きいことから、近い将来に検出される可能性は低い。