[論文レビュー] Anti-dark matter: a hidden face of mirror world

Zurab Berezhiani|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、通常の物質とは同一だが隠れたセクターに由来する仮説的な粒子であるミラー物質が、BおよびLの保存を破る相互作用によってミラーニュートリノと通常の反ニュートリノの間の遷移を引き起こすため、'反ダークマター'として現れる可能性があると提唱している。これらの遷移は環境依存的であり、中性子星のような高密度媒体では共鳴的に増幅され、検出可能な反粒子生成を引き起こす。この現象は、宇宙における陽電子過剰の説明およびミラーワールド間の粒子交換によるエネルギー抽出のメカニズムを提供する。

ABSTRACT

B and L violating interactions of ordinary particles with their twin particles from hypothetical mirror world can co-generate baryon asymmetries in both worlds in comparable amounts, $Ω'_B/Ω_B \sim 5$ or so. On the other hand, the same interactions induce the oscillation phenomena between the neutral particles of two sectors which convert e.g. mirror neutrons into our antineutrons. These oscillations are environment dependent and can have fascinating physical consequences.

研究の動機と目的

• 通常のセクターとミラー・セクター間のBおよびLの保存を破る相互作用が及える宇宙論的および天体物理学的影響を調査すること。
• このような相互作用が、通常の世界とミラー世界の両方で同等のバリオン数非対称性を生成できるかを検討すること。
• ミラー物質が、遷移現象のおかげで実験的に反物質として現れる可能性があるかを検討すること。
• ミラーパarticleを含む中性子–反中性子遷移が中性子星および宇宙線観測に与える影響を評価すること。
• 設計された系における共鳴的遷移を用いたエネルギー抽出の可能性を評価すること。

提案手法

• 通常（O）およびミラー（M）セクターに同一のラグランジアンを持つ積型ゲージ群 $G \times G'$ の形式的枠組みを用い、混合項 $\mathcal{L}_{\rm mix}$ を含む。
• 次元5のオペレーター $\mathcal{O}_5 \sim \frac{1}{M}(l\phi)^2 + \text{h.c.}$ を用いてレプトン数の保存を破り、微小なニュートリノ質量を生成する。
• 高密度環境における $n - \bar{n}'$ 遷移ハミルトニアンの適用。ここで $V$ は中性子のフェルミエネルギー $\mathcal{E} \sim (N/N_{\rm nuc})^{2/3} \times 60$ MeV に比例する。
• 混合行列要素 $\epsilon$ を用いて遷移確率を $P_{n\bar{n}'} \sim (\epsilon / \mathcal{E})^2$ で推定する。
• 中性子星における $n^\prime \to \bar{n}$ 遷移のモデル化により、$\bar{n}^\prime$ の生成が生じ、その後 $\bar{p}^\prime\bar{e}^\prime\nu^\prime_e$ に崩壊する。$\bar{p}^\prime$ はクーロン反発により蒸発する。
• 中性子星における崩壊率と質量損失の計算：$\Gamma \sim (1/\tau_{n\bar{n}^\prime})^2 \times 10^{-15}$ yr$^{-1}$。ここで $\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 10^{-3}$ s とすると、$\Gamma^{-1} \sim 10^9$ 年となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常のセクターとミラー・セクター間のBおよびLの保存を破る相互作用が、両世界に同等のバリオン数非対称性を生成できるか？
• RQ2 ミラーニュートリノが通常の反ニュートリノに遷移する条件は何か？また、環境の密度にどのように依存するか？
• RQ3 中性子星における $n^\prime \to \bar{n}$ 遷移が、511 keVガンマ線過剰を説明するのに十分な観測可能な陽電子生成を引き起こすか？
• RQ4 $n - \bar{n}^\prime$ 遷移がビッグバン核合成における低レベルの重水素およびリチウム問題に与える影響は何か？
• RQ5 設計された系における共鳴的 $n^\prime \to \bar{n}$ 遷移が、生成された反ニュートリノの消失反応を介してエネルギー抽出を可能にするか？

主な発見

• BおよびLの保存を破る相互作用によって誘発されるミラーニュートリノと通常の反ニュートリノの間の遷移のおかげで、ミラー物質は実験的に'反ダークマター'として観測可能である。
• 中性子星では、$\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 10^{-3}$ s の $n^\prime \to \bar{n}$ 遷移が、$\Gamma \sim 10^{-15}$ yr$^{-1}$ の崩壊率をもたらし、$10^9$ 年の期間で顕著な質量損失を引き起こす。
• $n^\prime \to \bar{n}$ 遷移による陽電子生成率は、1つのミラーニュートリノ星あたり年間 $10^{42}$ 個と推定され、約 $10^5$ 個の中性子星が存在する場合、観測された511 keVガンマ線過剰を説明するのに十分である。
• $\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 1$ s の場合、崩壊率は非常に高くなり、質量損失が急速に進行するが、$\tau_{n\bar{n}^\prime} \sim 10^{-3}$ s の場合、長寿命であるため、古くから存在する中性子星で観測可能な効果が現れる。
• ミラー水素原子は、$D=8$ のオペレーターを介して通常の反水素に遷移可能で、$M \sim 1$ TeV の場合、遷移時間は約 $10^{20}$ 秒となる。この現象は銀河的ガンマ線背景に影響を与える可能性がある。
• 磁場中における共鳴的 $n^\prime \to \bar{n}$ 遷移は、生成された反ニュートリノの消失反応を介してエネルギー抽出を可能にし、入力レアクターに比べて最大 $10^3$ 倍のエネルギーを放出する可能性がある。