[論文レビュー] Collider Signatures of Axino and Gravitino Dark Matter

Frank Daniel Steffen|ArXiv.org|Jun 30, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、将来のコライダーにおいて、電荷を帯びたスlepton次に軽いスーパースymmétrィック粒子（NLSP）の崩壊を通じて、axinoおよびgravitinoのダークマター候補を探索可能であることを示している。特に、NLSP崩壊における光子およびタウレプトンの放射の微分的分布――特にエネルギーおよび角度相関におけるピーク構造――が、axinoとgravitinoのLSPを区別できることを示しており、これによりPeccei–Quinnスケールおよびプランクスケールの物理学を測定可能となる。

ABSTRACT

The axino and the gravitino are extremely weakly interacting candidates for the lightest supersymmetric particle (LSP). We demonstrate that either of them could provide the right amount of cold dark matter. Assuming that a charged slepton is the next-to-lightest supersymmetric particle (NLSP), we discuss how NLSP decays into the axino/gravitino LSP can provide evidence for axino/gravitino dark matter at future colliders. We show that these NLSP decays will allow us to estimate the value of the Peccei-Quinn scale and the axino mass if the axino is the LSP. In the case of the gravitino LSP, we illustrate that the gravitino mass can be determined. This is crucial for insights into the mechanism of supersymmetry breaking and can lead to a microscopic measurement of the Planck scale.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における熱的生成を通じて、axinoおよびgravitino LSPが観測された寒冷黒色マター密度を説明できることを確立すること。
• 将来の線形コライダーにおける電荷を帯びたスlepton NLSPの崩壊を通じて、axinoおよびgravitinoダークマターの観測可能なコライダー断面積を同定すること。
• NLSPが光子およびタウレプトンへ崩壊する微分的崩壊分布が、axinoとgravitino LSPのシナリオを区別できることを示すこと。
• axinoがLSPの場合、Peccei–Quinnスケールおよびaxino質量を測定可能であり、gravitinoがLSPの場合にはgravitino質量を同定可能であることを示すこと。
• 直接的なコライダー観測を通じて、超対称性の破れのメカニズムを調べ、縮小されたプランクスケールを測定するための手法を提供すること。

提案手法

• 初期宇宙のプラズマ中におけるaxinoおよびgravitinoの熱的生成率を計算するために、Braaten–Yuanの手続きおよびハード熱的ループの再結合を用いる。
• 再結合温度の関数としての強い結合定数およびグルーギノ質量の変動を組み込んだ解析的ボルツマン方程式の解法により、残存密度を求める。
• 右回りのストーLSPがタウレプトン、光子、およびLSP（axinoまたはgravitino）へ3体崩壊する過程をモデル化し、光子エネルギーおよび放出角にカットを適用する。
• 全崩壊幅および基本的スケールに依存しない正規化された微分的崩壊率（式8）を定義し、axinoとgravitinoのシナリオ間の直接比較を可能にする。
• スケーリングされた光子エネルギー$x_\nu$および光子とタウの間の$\theta$角に関する微分的分布をシミュレートし、$x_\nu^{\text{cut}} = x_\theta^{\text{cut}} = 0.1$のカットを適用する。
• モンテカルロ風のイベント数（例：axinoでは約165 ± 13イベント、gravitinoでは約100 ± 10イベント）を用いて、2つのLSPシナリオの統計的区別可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙における熱的生成から生じるaxinoおよびgravitino LSPは、観測された寒冷黒色マターの残存密度を説明できるか？
• RQ2 電荷を帯びたスlepton NLSPの崩壊から生じるコライダー断面積は、ダークマターLSPとしてのaxinoとgravitinoを区別できるか？
• RQ3 axinoがLSPの場合、NLSP崩壊の運動学的性質に基づいてPeccei–Quinnスケールおよびaxino質量を測定可能か？
• RQ4 コライダーデータからgravitino質量を同定できるか？また、これは超対称性の破れのメカニズムに何を示唆するか？
• RQ5 崩壊生成物の微分的分布（光子エネルギーおよび放出角）は、axinoとgravitino LSPシナリオを明確に統計的に区別できる信号を提供するか？

主な発見

• 初期宇宙におけるaxinoおよびgravitinoの熱的生成は、再結合温度およびLSP質量の広い範囲で正しい残存密度をもたらす。
• $m_{\tilde{a}} \to 0.1$ GeVおよび$f_a/N = 10^{11}$ GeVの場合、axinoの残存密度は$ \frac{m_{\tilde{a}}}{0.1\text{ GeV}} \times \frac{T_R}{10^4\text{ GeV}} $に比例し、対数補正を伴う。
• $m_{\tilde{G}} = 100$ GeVおよび$T_R = 10^{10}$ GeVの場合、gravitinoの残存密度は$ \frac{m_{\tilde{G}}}{100\text{ GeV}} \times \frac{T_R}{10^{10}\text{ GeV}} $に比例し、グルーギノ質量および結合定数の依存性も追加的に影響する。
• 微分的崩壊分布$ \frac{1}{\text{rate}} \frac{d^2\text{rate}}{dx_\nu d\text{cos}\theta} $は、axino LSPの場合は二峰性のピーク（高エネルギー光子および背中合わせの放出）を示すが、gravitinoの場合はソフト光子・凝集領域にピークを示す。
• 10^4件の解析済みstau NLSP崩壊において、axino LSPの約28%が高エネルギー・背中合わせ領域（$x_\nu \to 0.8$, $\text{cos}\theta \to -0.3$）に位置するが、gravitino LSPではわずか約1%にとどまる。
• 明確な運動学的パターンのおかげで、axinoとgravitino LSPシナリオは明確に区別可能であり、$ \text{O}(10^4) $イベント程度の統計的有意性が達成可能である。