[論文レビュー] Bounds on Very Weakly Interacting Sub-eV Particles (WISPs) from Cosmology and Astrophysics

Javier Redondo|ArXiv.org|Oct 17, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、アクシオン、アクシオン様粒子、隠れた光子、およびミニチャージド粒子を含む、非常に弱く相互作用する電子ボルト未満の粒子（WISPs）の宇宙論的・天体物理学的制約をレビューする。星のエネルギー損失、ビッグバン核合成、宇宙マイクロ波背景放射、大規模構造の分析を通じて、WISPの結合定数および質量に対するきびしい制約が得られ、特に水平分岐星およびCASTヘリオスコープのデータから最も強い制約が得られている。

ABSTRACT

Many weakly interacting sub-electronVolt particles (WISPs) are easily accommodated in extensions of the standard model. Generally the strongest bounds on their existence come from stellar evolution and cosmology, where to the best of our knowledge observations seem to agree with the standard budget of particles. In this talk I review the most demanding constraints for axions and axion-like-particles, hidden photons and mini-charged particles.

研究の動機と目的

• 弱く相互作用する電子ボルト未満の粒子（WISPs）、例えばアクシオン、アクシオン様粒子、隠れた光子、ミニチャージド粒子を対象とした、宇宙論的および天体物理学的制約の体系的レビューを目的とする。
• WISP相互作用を制約するための最も感受性の高い観測的プローブ（例えば、ビッグバン核合成、宇宙マイクロ波背景放射の非一様性、星のエネルギー損失）を特定することを目的とする。
• 理論的予測と宇宙論および天体物理学からの観測データを比較することで、WISPsが標準模型の拡張として実現可能であるかを評価することを目的とする。
• 隠れた光子およびアクシオン様粒子に関して、将来の実験（DESYのALPSなど）と天体的制約の補完的性を評価することを目的とする。
• Ly-αフォレストデータと標準宇宙論との間にある現在の矛盾を強調し、将来的な実験でテスト可能なリリックなWISP集団の可能性を示唆することを目的とする。

提案手法

• ビッグバン核合成（BBN）の制約を用い、観測された原始的ヘリウム4の質量分数量を理論的予測と比較することで、非標準的エネルギー密度（WISPs由来）を有効ニュートリノ数 $N_{\nu,x}^{\rm eff}$ に変換し、制約を導出する。
• 宇宙マイクロ波背景放射（CMB）の非一様性および大規模構造（LSS）データを用い、有効放射エネルギー密度 $\tilde{N}_{\nu,x}^{\rm eff}$ を制約することで、WISPsによる放射エネルギー密度への寄与を制限する。
• FIRASスペクトルにおける光子の減少を分析し、初期宇宙における $\gamma \to \gamma^\prime$ 変換を介して、光弱いミニチャージド粒子（MCP）および隠れた光子 ($\gamma^\prime$) を制約する。
• 水平分岐星および白色矮星における星のエネルギー損失機構を評価し、WISPの放射がコア燃焼段階を短縮し、冷却を長引かせるため、結合定数に対する強い制約が得られることを示す。
• 太陽内部の音波振動（ヘリオセイズミー）および太陽ニュートリノフラックスの測定を用い、太陽からのWISP放射を制約する。CASTヘリオスコープのデータは、特定のALPモデルにおいて、従来の星の冷却による制約をすでに上回っている。
• 高温プラズマ中でのコンプトン様過程（$\gamma e^\pm \to \gamma^\prime e^\pm$）および対生成（$e^+e^- \to \psi\bar{\psi}$）によるWISP生成率を検討し、プラズマ周波数および混合角に依存する抑制因子を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2光子結合を持つアクシオン様粒子に関して、最も強い宇宙論的・天体物理学的制約は何か。また、それらは実験的制約とどのように比較されるか。
• RQ2 0.2 meV未満の質量を有する隠れた光子および運動混合パラメータ $\chi$ がCMB黒体スペクトルおよび大規模構造に与える影響は何か。これらの観測からどのような制約が得られるか。
• RQ3 水平分岐星および白色矮星における星の冷却速度は、アクシオンおよびミニチャージド粒子の結合定数をどの程度制約するか。
• RQ4 Ly-αフォレストデータに見られる顕著な異常（有効ニュートリノ数の過剰）は、BBNからCMB脱結合までの間、共鳴的 $\gamma$–$\gamma^\prime$ 振動によって生成されたリリックな隠れた光子によって説明可能か。
• RQ5 CASTヘリオスコープ実験の制約は、特に隠れた光子およびアクシオン様粒子に関して、従来のエネルギー損失の議論と比較してどの程度強いか。

主な発見

• 2光子結合を持つアクシオン様粒子に関しては、水平分岐星（球状星団内）からの制約が最も強く、100 eV未満の質量に対して結合定数 $g_{\gamma\gamma}$ について $\sim 10^{-10}$ GeV$^{-1}$ の制約が得られている。
• CASTヘリオスコープの結果は、2光子結合を持つアクシオン様粒子に関して、従来の星の冷却による制約をすでに上回っており、95%信頼水準で $g_{\gamma\gamma} < 1.5 \times 10^{-10}$ GeV$^{-1}$ の制限を設定している。
• ミニチャージド粒子（MCP）はBBNおよびCMBによって、電荷 $Q_{\rm MCP} < 2 \times 10^{-9}$ に制限されている。一方、$m_{\gamma^\prime} \lesssim 0.2$ meV の隠れた光子はFIRASおよびCMBデータによって、運動混合パラメータ $\chi \lesssim 10^{-10}$ に制限されている。
• CMBおよびLSSデータから得られる有効ニュートリノ数は $\tilde{N}_{\nu,x}^{\rm eff} = -0.1_{+2.0}^{-1.4}$ であり、WISPsが共鳴的に生成されない限り、放射エネルギー密度への寄与は無視できるほど小さいことが示唆される。
• Ly-αフォレストデータは、$\tilde{N}_{\nu,x}^{\rm eff}$ の過剰を示唆しており、これはBBNからCMB脱結合までの間、共鳴的 $\gamma$–$\gamma^\prime$ 振動によって生成された隠れた光子によって説明可能である。この状況は、将来のALPS実験でテスト可能である。
• ミリエレクトロンボルト未満の隠れた光子に関しては、宇宙論的または天体物理学的制約はほとんど存在しないため、DESYのALPSのような将来的な実験の主な標的である。