[論文レビュー] Asymmetric Matters from a Dark First-Order Phase Transition

E. Hall, Thomas Konstandin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 76被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、2つのヒッグスダブルレットと標準模型に類似した物質を有する、ダークSU(3)′×SU(2)′×U(1)′系における1次相転移から、バリオンおよびダークマターの非対称性が生じる最小限で再規格化可能なモデルを提案する。ダークバリオン非対称性は右図ニュートリノポータルおよびスファラロン過程を通じて標準模型に移行され、結果としてGeVスケールのダークハドロン――1.36または1.63 GeVのダークアンチニュートロン、あるいはダークアンチプロトンとパイオニウムの組み合わせ――としての非対称ダークマターが残り、これは直接検出およびダークフォトン実験で強く検証可能である。

ABSTRACT

We introduce a model for matters-genesis in which both the baryonic and dark matter asymmetries originate from a first-order phase transition in a dark sector with an $SU(3) imes SU(2) imes U(1)$ gauge group and minimal matter content. In the simplest scenario, we predict that dark matter is a dark antineutron with mass either $m_{\bar{n}} = 1.36$ GeV or $m_{\bar{n}} = 1.63$ GeV. Alternatively, dark matter may be comprised of equal numbers of dark antiprotons and pions. This model, in either scenario, is highly discoverable through both dark matter direct detection and dark photon search experiments. The strong dark matter self interactions may ameliorate small-scale structure problems, while the strongly first-order phase transition may be confirmed at future gravitational wave observatories.

研究の動機と目的

• 1つのメカニズムにより最小的で再規格化可能なダーク系において、バリオン非対称性およびダークマター密度の起源を説明すること。
• 強いダークハドロン相互作用に起因する速度依存性のあるダークマター自己相互作用によって、小スケール構造問題を解決すること。
• 将来の重力波観測所および直接検出実験のための検証可能なフレームワークを提供すること。
• ニュートリノポータルおよび標準模型のスファラロン過程を通じてバリオンとダークマター非対称性を統一し、高次元オペレーターに依存しないこと。

提案手法

• SU(3)′×SU(2)′×U(1)′ゲージ対称性、2つのヒッグスダブルレット、右図ニュートリノシングレットを含む1世代の標準模型に類似した物質を有するダーク系を導入する。
• 強い1次相転移中に2ヒッグスダブルレット機構を用いてダーク系内で電弱バリオン生成を実装する。
• ニュートリノポータル結合(Yn, yN)を用いてダークレプトン非対称性を標準模型に接続し、標準模型のスファラロンを通じた移行を可能にする。
• 対称的ダークハドロンがマスの大きいダークフォトンに消失するのを経て、残存する非対称成分としてダークマターをモデル化する。
• ダークU(1)′フォトンと標準模型のハイパーチャージの間の運動的混合を含め、ダークフォトンが標準模型状態に崩壊できることを許容する。
• 再規格化可能な結合を用い、標準模型のスファラロン凍結後におけるダークニュートリノの崩壊を仮定して、最終的なバリオンおよびレプトン非対称性を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い1次相転移を示すダークSU(3)′×SU(2)′×U(1)′系において、最小的で再規格化可能なメカニズムにより、バリオン非対称性およびダークマター非対称性が同時に生成可能か？
• RQ2 ダークレプトン非対称性は、高次元オペレーターに依存せずに、どのように標準模型系に移行され、観測されたバリオン非対称性を生成するか？
• RQ3 このモデルにおける妥当なダークマター候補は何か？ それらの質量および相互作用は検出可能性にどのように影響するか？
• RQ4 このモデルは、LISAやBBOなどの将来の観測所で検出可能な重力波信号を、1次相転移から生成できるか？
• RQ5 得られるGeVスケールのダークハドロンは、銀河の小スケール構造問題を緩和するのに必要なスケールで速度依存性を持つ自己散乱断面積を自然に持つか？

主な発見

• モデルは2つの妥当なダークマター候補を予測する：質量m¯n = 1.36 GeVまたはm¯n = 1.63 GeVのダークアンチニュートロン。
• あるいは、ダークアンチプロトンとダークパイオニウムが等量で存在する可能性もあり、両者ともGeVスケールの質量を有する。
• ダークニュートリノが標準模型のスファラロン分離後にも崩壊する場合、最終的な標準模型バリオン非対称性はB = −36/133B′と予測される。
• モデルは、将来的な観測所（LISA、BBO、DECIGOなど）で検出可能な重力波信号を、1次相転移から生成する。
• GeVスケールのダークハドロンの強い自己相互作用は、小スケール構造問題を緩和するのに必要なスケールで速度依存性を持つ散乱断面積を自然に生成する。
• このモデルは非常に検証可能である：ダークマター直接検出実験およびダークフォトン探索（例：NA64、FASER、LHCb）により、予測されたパrameter空間を走査可能である。