[論文レビュー] Basic Constituents of the Visible and Invisible Matter - A Microscopic View of the Universe

D. P. Roy|ArXiv.org|Jul 10, 2000

Earth Systems and Cosmic Evolution被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ビッグバンからの宇宙の進化を追跡するために、量子力学と相対性理論を結びつけ、可視物質および不可視物質の微視的起源を探求する。高エネルギー散乱実験と標準模型を分析することで、クォーク、レプトン、ゲージボソンを基本的構成要素として特定し、弱い力でしか相互作用しない大質量粒子（WIMPs）を、冷凍機構を通じて宇宙論的観測と自然に一致する再び残る密度を持つ暗黒物質の最有力候補として提案する。

ABSTRACT

One of the greatest achievements of twentieth century physics is the discovery of a very close link between the microcosm and the macrocosm. This follows from the two basic principles of quantum mechanics and relativity, the uncertainty principle and the mass energy equivalence, along with the standard big bang model of cosmology. As we probe deeper into the microcosm we encounter states of higher mass and energy, which were associated with the early history of the universe. Thus discovery of the atomic nucleus followed by the nuclear particles, quarks & gluons and finally the $W$ & $Z$ bosons have recreated in the laboratory the forms of matter that abounded in the very early universe. This has helped us to trace back the history of the universe to within a few picoseconds of its creation. Finally the discovery of the Higgs and supersymmetric particles will help to solve the mystry of the invisible matter, which abound throughout the universe today, as relics of that early history.

研究の動機と目的

• 微視的量子現象と宇宙の巨視的構造との間の関係を説明すること。
• 高エネルギー粒子物理学実験を用いてビッグバン以降の物質の進化を追跡すること。
• 不可視（暗黒）物質の性質を、初期宇宙からの残滓として特定すること。
• 弱い力でしか相互作用しない大質量粒子（WIMPs）が、観測された暗黒物質密度をどのように説明できるかを説明すること。
• 実験室スケールの素粒子物理学と、銀河の回転曲線および構造形成の宇宙論的観測を結びつけること。

提案手法

• 粒子散乱実験における解像度と必要なビームエネルギーとの関係を不確定性原理を用いて関係づける。
• 自然単位（ħ = c = 1）を用いて素粒子物理学における質量、エネルギー、運動量を統一する。
• SLACで得られた電子-陽子散乱データを分析し、陽子のクォーク構造を明らかにする。
• SU(3)ゲージ対称性を持つ量子色力学（QCD）を用いて強い相互作用およびグルーオンの自己相互作用を記述する。
• 初期宇宙における弱い力でしか相互作用しない大質量粒子（WIMPs）の冷凍をモデル化し、その再び残る密度を予測する。
• 銀河の回転曲線と重力レンズ効果を用いて、発光しない非可視物質の存在を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高エネルギー散乱実験は、陽子やハドロンの内部構造をどのように明らかにするか？
• RQ2 観測された宇宙における暗黒物質密度の起源は何か？ そして素粒子物理学とどのように関係しているか？
• RQ3 銀河の回転曲線が大半の半径で平坦なまま保たれるのはなぜか？ これは見えない質量の存在をどのように示唆するか？
• RQ4 初期宇宙における冷凍機構は、弱い力でしか相互作用しない粒子の再び残る豊度をどのように決定するか？
• RQ5 超対称性粒子、特に最軽い超対称粒子（LSP）は、暗黒物質および銀河形成において果たす役割は何か？

主な発見

• 高エネルギー電子-陽子散乱によって陽子の内部構造が明らかになり、3つの構成クォークの存在が確認された。
• 標準模型は、基本的なフェルミオン（クォークとレプトン）およびゲージボソン（グルーオン、光子、W/Zボソン）を可視物質の基本的構成要素として記述する。
• QCDの非アーベル性はグルーオンの自己相互作用を生じさせ、QEDとは異なり、クォークの閉じ込めを説明する。
• M33における銀河の回転曲線は、可視ディスクの外縁で平坦なプロファイルを示し、広大な非可視物質のハローが存在することを示唆する。
• 弱い力でしか相互作用しない大質量粒子（WIMPs）の再び残る密度は、約100 GeVの温度で冷凍する際に、観測された暗黒物質密度と自然に一致する。
• 超対称性LSPは、その熱的歴史が正しい再び残る豊度を予測でき、重力的クラスタリングによって初期の銀河形成を促進できるため、暗黒物質の最有力候補である。