[論文レビュー] A Unified Theory of Matter Genesis: Asymmetric Freeze-In

Lawrence J. Hall, John March-Russell+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 44被引用数 40

ひとこと要約

本論文は、可視宇宙と隠れた宇宙の間の微弱な相互作用を通じて、熱的フリーズインによるダークマター（DM）生成とバリオジェネシスを統一的に扱うメカニズムを提案する。CP対称性の破れを伴う崩壊により、可視宇宙と隠れた宇宙の間で関連したバリオン数およびDM数の非対称性が生成される。このモデルは、微調整を必要とせず、観測されたDM密度とバリオン密度の比（$Ω_d/Ω_b ≈ 4.86$）を説明できる。実験的検証が可能なシグナチャーとして、長寿命の準安定粒子、ずれた頂点、加速器における相関した電気双極子モーメント（EDM）が予測される。

ABSTRACT

We propose a unified theory of dark matter (DM) genesis and baryogenesis. It explains the observed link between the DM density and the baryon density, and is fully testable by a combination of collider experiments and precision tests. Our theory utilises the "thermal freeze-in" mechanism of DM production, generating particle anti-particle asymmetries in decays from visible to hidden sectors. Calculable, linked, asymmetries in baryon number and DM number are produced by the feeble interaction mediating between the two sectors, while the out-of-equilibrium condition necessary for baryogenesis is provided by the different temperatures of the visible and hidden sectors. An illustrative model is presented where the visible sector is the MSSM, with the relevant CP violation arising from phases in the gaugino and Higgsino masses, and both asymmetries are generated at temperatures of order 100 GeV. Experimental signals of this mechanism can be spectacular, including: long-lived metastable states late decaying at the LHC; apparent baryon-number or lepton-number violating signatures associated with these highly displaced vertices; EDM signals correlated with the observed decay lifetimes and within reach of planned experiments; and a prediction for the mass of the dark matter particle that is sensitive to the spectrum of the visible sector and the nature of the electroweak phase transition.

研究の動機と目的

• 観測されたダークマターとバリオンの残存密度比（$\Omega_d/\Omega_b \approx 4.86$）を説明するが、標準モデルでは微調整を要するため、この問題を解決する。
• 独立で分離された生成過程を避けるために、バリオジェネシスとダークマター生成を一つのメカニズムで統合する。
• 高スケールの物理や再熱温度に依存しない、完全に計算可能な、実験的検証可能なフレームワークを提示する。
• CP対称性の破れを伴う位相が関与する微弱相互作用の隠れた宇宙セクターから生じる、特徴的な観測可能なシグナチャー（例えば、長寿命の準安定粒子や相関した電気双極子モーメント（EDM））を同定する。

提案手法

• 可視宇宙から隠れた宇宙への微弱な崩壊によって、DMおよびバリオン非対称性が生成される熱的フリーズインメカニズムを用いる。隠れた宇宙セクターは$Z_2$-奇性の安定性を持つ。
• MSSM内でのゲージノーおよびヒッグスイノ質量の位相を介してCP対称性の破れを導入し、バリオン数およびDM数の非対称生成を可能にする。
• バリオジェネシスに必要な非平衡状態を、可視宇宙と隠れた宇宙の間の温度差によって満たす。
• DMおよびバリオンの残存密度を、フリーズイン還元率の公式 $Y_X = C_{FI} \frac{M_{Pl} \Gamma}{m_B^2}$ を用いて導出する。ここで $C_{FI}$ は自由度および結合定数に依存する。
• 隠れた宇宙セクターの温度を、フリーズイン後に $T_{X,i}$ とし、$T_{X,i}/T_{\rm{vis}} \propto (\epsilon)^{-1/4}$ とモデル化する。ここで $\epsilon$ は結合定数である。
• LHCにおける長寿命の隠れた宇宙状態（LOSPs）の遅延崩壊を予測する。崩壊温度は $T_{\rm{decay}}^{\rm{vis}} \propto m_{\rm{LOSP}}^{1/2} \lambda g_*^{1/4}$ に比例し、ずれた頂点と見かけの$B$-数または$L$-数の破れを引き起こす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微調整を要せず、観測されたバリオン非対称性とダークマターの残存密度を同時に生成できる一元的なメカニズムは存在するか？
• RQ2 観測された一致 $\Omega_d/\Omega_b \approx 4.86$ は、統一的かつ計算可能なフレームワーク内でどのように説明できるか？
• RQ3 微弱に相互作用する隠れた宇宙セクターが、熱的フリーズインによって関連した非対称性を生成する場合、加速器および高精度実験のシグナチャーは何か？
• RQ4 高エネルギースケールのダイナミクスに依存せず、可視宇宙と隠れた宇宙の温度差によってバリオジェネシスの非平衡状態を満たすことは可能か？
• RQ5 長寿命の準安定粒子の遅延崩壊は、LHC探索およびビッグバンヘリウム合成にどのような影響を及えるか？

主な発見

• CP対称性の破れを伴う可視宇宙から隠れた宇宙への崩壊により、バリオンとダークマターの非対称性が統合的に生成される。DMの残存密度は $\Omega_X h^2 \propto \frac{m_X \Gamma}{m_B^2}$ で与えられ、ここで $\Gamma$ は崩壊率である。
• 隠れた宇宙セクターはフリーズイン中に加熱され、$T_{X,i}/T_{\rm{vis}} \simeq 0.05 (10^{-3}/\epsilon)^{1/4} (10/g_X)^{1/4} (g_*/100)^{1/4}$ となる。この条件により、隠れた宇宙セクターが非平衡状態を保つ。
• LOSPsの崩壊温度は $T_{\rm{decay}}^{\rm{vis}} \simeq 15.5\,{\rm GeV} \left(\frac{m_{\rm{LOSP}}}{100\,{\rm GeV}}\right)^{1/2} \lambda (g_*/100)^{1/4}$ に比例し、LHCで検出可能なずれた頂点を生成する。
• 崩壊時の隠れた宇宙セクターの温度は $T_{X\rm{LOSP-decay}} \simeq 770\,{\rm MeV} \left(\frac{m_{\rm{LOSP}}}{100\,{\rm GeV}}\right)^{1/2} \lambda (10^{-3}/\epsilon)^{1/4} (g_X/10)^{1/4}$ に比例し、典型的な隠れた宇宙セクターの凍結温度よりも高い。これにより、対称的なDMは消滅する。
• モデルは、寿命と質量が計画中の実験で測定可能な範囲にある相関EDMを予測し、CP対称性の破れ位相の直接的検証を可能にする。
• Xセクター状態の可視宇宙への遅延崩壊は、ビッグバンヘリウム合成の予測を変更する可能性があり、追加の宇宙論的制約を提供する。