[論文レビュー] Axino Dark Matter in Anomalous U(1)' Models

Francesco Fucito, Andrea Lionetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、MSSMの最小な異常U(1)'拡張におけるStuckelberg規ベクトルのフェルミオン的パートナーであるaxinoを、実現可能な暗黒物質候補として提案する。デカップリング限界において、axinoは最軽い超対称粒子（LSP）となり、ほぼ縮退したNLSPおよびNNLSPとの共崩壊を含めた再結合密度が計算され、摂動的パラメータ空間全域でWMAP制約を満たすことが示された。

ABSTRACT

We study a possible dark matter candidate in the framework of a minimal anomalous $U(1)'$ extension of the MSSM. It turns out that in a suitable decoupling limit the Stuckelino, the fermionic degree of freedom of the Stuckelberg multiplet, is the lightest supersymmetric particle (LSP). We compute the relic density of this particle including coannihilations with the next to lightest supersymmetric particle (NLSP) and with the next to next to lightest supersymmetric particle (NNLSP) which are assumed almost degenerate in mass. This assumption is needed in order to satisfy the stringent limits that the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) puts on the relic density. We find that the WMAP constraints can be satisifed by different NLSP and NNLSP configurations as a function of the mass gap with the LSP. These results hold in the parameter space region where the model remains perturbative.

研究の動機と目的

• MSSMの最小な異常U(1)'拡張におけるaxinoが暗黒物質候補として成立するかを検討すること。
• axinoが最軽い超対称粒子（LSP）となる条件を特定すること。
• 次に軽い（NLSP）およびその次に軽い（NNLSP）超対称粒子との共崩壊効果を含めたaxinoの再結合密度を計算すること。
• 摂動的パラメータ空間内で、暗黒物質再結合密度に関する厳密なWMAP制約を満たすこと。

提案手法

• 異常U(1)'モデルにおけるデカップリング限界を仮定すると、Stuckelberg multipletのフェルミオン的成分（axino）がLSPとなる。
• NLSPおよびNNLSPとの共崩壊チャネルを含めた熱的再結合豊度計算を用いて、axinoの再結合密度を計算する。
• axinoとほぼ質量が縮退しているNLSPおよびNNLSPを仮定することで、暗黒物質の過剰生成を抑制する。
• ゲージ結合定数が摂動的に有界である範囲にパラメータ空間を制限することで、モデルの摂動性を維持する。
• 共崩壊粒子を含む標準的なボルツマン方程式を用いて再結合密度を計算する。
• 得られた結果を、全暗黒物質再結合密度に関するWMAP制約と照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 axinoが最軽い超対称粒子（LSP）である場合、異常U(1)'モデルにおけるaxinoは実現可能な暗黒物質候補とみなせるか？
• RQ2 ほぼ縮退したNLSPおよびNNLSPとの共崩壊が、このモデルにおけるaxinoの再結合密度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 axinoが再結合密度に関するWMAP制約を満たし、かつ摂動性を保つパラメータ空間の領域はどこか？
• RQ4 axinoとその共崩壊相手との間の質量ギャップは、観測された暗黒物質密度と整合するにはどの程度か？
• RQ5 Stuckelberg multipletのデカップリング限界が、安定なaxino LSPを生じる条件は何か？

主な発見

• 異常U(1)'モデルのデカップリング限界において、axinoは最軽い超対称粒子（LSP）となる。
• ほぼ縮退したNLSPおよびNNLSPとの共崩壊は、axinoの再結合密度を顕著に抑制し、WMAP制約を満たすことを可能にする。
• axinoとの質量ギャップに応じて、さまざまなNLSPおよびNNLSPの設定において、WMAPの再結合密度制約が満たされる。
• モデルのパラメータ空間の摂動的領域において、結果は有効である。
• axinoの質量や結合定数の微調整を必要とせず、モデルが実現可能な暗黒物質候補を支持する。