[論文レビュー] Big-Bang Nucleosynthesis and neutralino dark matter in modified gravity

Jin U Kang, Grigoris Panotopoulos|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2008

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、$f(R) \sim R^n$ 変更重力におけるビッグバン核合成（BBN）および中性子ハーケンダークマターを調査し、$^4$Heの生成割合を制約するために、力のべき乗$ n $を自由パラメータとして用いる。その結果、BBNによる$ n $の制約が、冷たいダークマターと整合するための必要なダークマター散乱断面積を決定し、重力の修正とダークマターの素性の間の関連を示す。

ABSTRACT

In the present work the primordial Big-Bang Nucleosynthesis (BBN) and weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter are discussed in a certain class of modified gravitational theories, namely $f(R) \sim R^n$ gravity. The new gravitational model is characterized by a single parameter $n$. First we determine the conditions under which the theoretical predictions for the $^{4}$He abundance are in agreement with the observations. More precisely, during BBN the physics is known and all the parameters are known. The only free parameter to be constrained is the power $n$ related to the new gravitational model. After that, for cold dark matter we use the value of $n$ determined from the BBN considerations and determine how the mass of the dark matter particle is related to the annihilation cross section in order for the cold dark matter constraint to be satisfied.

研究の動機と目的

• $f(R) \sim R^n$ 重力が初期核合成、特に$^4$He生成割合の予測に与える影響を検討すること。
• BBN期における$^4$He生成割合の観測データを用いて、重力パラメータ$ n $を制約すること。
• BBNにより制約された$ n $が与えられたもとで、冷たいダークマターの残存密度制約を満たすために必要なダークマター散乱断面積を同定すること。
• 変更重力と弱い相互作用をもつ大質量粒子（WIMP）ダークマターの素性の間の関連を確立すること。

提案手法

• 重力作用を $f(R) = R^n$ としてモデル化し、変更重力の性質を記述する単一の自由パラメータ$ n $を導入する。
• 初期宇宙にその重力フレームワークを適用し、BBN期における関連する宇宙論的方程式を解く。
• 標準模型パラメータを用いた既知のBBN物理学を採用し、観測された$^4$He生成割合に一致させるために唯一$ n $を変化させる。
• 決定された$ n $に対して、冷たいダークマターの残存密度制約を満たすために必要なWIMP散乱断面積を計算する。
• $ n $-依存の重力の制約下で、ダークマター粒子の質量と散乱断面積の関係を関係づける。
• $^4$He生成割合とダークマターの残存密度の両方の整合性をもとに、$ n $-パラメータ空間を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビッグバン核合成期における観測された$^4$He生成割合と整合する$ f(R) \sim R^n $ 重力における$ n $ の値は何か？
• RQ2 変更重力パラメータ$ n $ は、初期宇宙における$^4$Heの生成量にどのように影響を与えるか？
• RQ3 BBNにより制約された$ n $が与えられたもとで、冷たいダークマターの残存密度を満たすために必要なダークマター散乱断面積は何か？
• RQ4 この変更重力フレームワークにおいて、中性子ハーケンダークマターの質量と散乱断面積の関係は何か？
• RQ5 $ f(R) \sim R^n $ 重力における$ n $-パラメータは、同時にBBNと冷たいダークマターの両方の制約を満たすことができるか？

主な発見

• $^4$He生成割合の理論的予測と観測データの一致により、重力の修正パラメータが固定される。
• BBNから得られた$ n $値を入力として、残存密度の整合性を満たすために必要なダークマター散乱断面積が決定される。
• 本稿では、$ f(R) \sim R^n $ 重力における$ n $-パラメータとWIMP散乱断面積との間の定量的関連を確立する。
• 必要なダークマター散乱断面積は$ n $-値に依存しており、これは重力の修正がダークマターの素性に影響を与えることを示唆する。
• モデルは、断面積を適切に調整すれば、$ n $-依存の重力が同時にBBNと冷たいダークマターの両方の制約を満たせることを示している。
• 分析により、$ f(R) \sim R^n $ 重力は、初期核合成とダークマターの残存密度の両方を制約する統一的な枠組みを提供することが示された。