[論文レビュー] Composite dark matter from 4th generation

Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、第4世代クォーク族に由来する安定な反トップクォーク（¯U）の原始的過剰が、(¯U¯U¯U)反バリオンを形成することで複合暗黒物質を形成し得ることを提案する。この反バリオンはヘリウム-4（4He）に結合してOヘリウム「原子」を形成する——これは中性で、弱い力に強く相互作用し、非常に重い暗黒物質候補である。Oヘリウム原子は初期に脱結合し、小スケール構造を抑制し、直接検出のしきい値を回避する。宇宙線および高圧風船実験において検証可能なシグナチャーを提供する。

ABSTRACT

Hypothesis of heavy stable quark of 4th family can provide a nontrivial solution for cosmological dark matter if baryon asymmetry in 4th family has negative sign and the excess of anti-U quarks with charge (-2/3) is generated in early Universe. Excessive anti-U antiquarks form (\bar U \bar U \bar U) antibaryons with electric charge -2, which are all captured by ^4He and trapped in [^4He^{++}(\bar U \bar U \bar U)^{--}] O-helium (OHe) ``atom'', as soon as He-4 is formed in Big Bang Nucleosynthesis. Interaction of O-helium with nuclei opens new path to creation heavy nuclides in Big Bang nucleosynthesis. Due to large mass of U quark, (OHe) ``atomic'' gas decouples from baryonic matter and plays the role of dark matter in large scale structure formation with structures in small scales being suppressed. Owing to nuclear interaction with matter cosmic O-helium from galactic dark matter halo are slowed down in Earth below the thresholds of underground dark matter detectors. However, experimental test of this hypothesis is possible in search for (OHe) in balloon-borne experiments and for $U$ hadrons in cosmic rays and accelerators. (OHe) ``atoms'' might form anomalous isotopes and can cause cold nuclear transformations in matter, offering possible way to exclude (or prove?) their existence.

研究の動機と目的

• 安定な電荷を帯びた暗黒物質粒子と観測された異常同位体の制限との間の矛盾を解消すること。
• 核変換に起因する壊滅的エネルギー放出を避ける複合暗黒物質候補を提示すること。
• 原始的¯Uクォーク過剰が、宇宙論的観測と整合する暗黒物質密度をもたらす仕組みを説明すること。
• Oヘリウムおよびアニュチウムの宇宙線および加速器実験における検証可能なシグナチャーを特定すること。

提案手法

• 第4世代クォークに対して負の符号を有する原始的バリオン非対称性を仮定し、これにより反¯U反クォークの過剰が生じるとする。
• T < mU 時に色クーロン結合による (¯U¯U¯U) 反バリオンの形成をモデル化する。
• これらの (¯U¯U¯U) 状態がビッグバンヘリウム合成期に 4He 核に結合し、中性のOヘリウム「原子」を形成することを計算する。
• 熱力学的および結合エネルギーの推定（r∆ ∼ 1/(αQCD·mU)）を用いて、Oヘリウムが安定で弱い力にほとんど相互作用しないことを示す。
• Oヘリウムと物質の相互作用を評価し、地下検出器において検出しきい値を下回る速度にまで減速することを示す。
• Oヘリウムは高圧風船実験および宇宙線において、自由なアニュチウム成分として検出可能であると予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第4世代由来の原始的¯Uクォーク過剰は、同位体豊度制限に反しない安定な複合暗黒物質を形成できるか？
• RQ2 Oヘリウム原子はどのように形成され、その宇宙論的・天体物理学的性質は何か？
• RQ3 地下検出器においてしきい値を下回る速度にまで減速することで、Oヘリウムは直接検出を回避できるか？
• RQ4 宇宙線および加速器実験におけるOヘリウムおよびアニュチウムの観測可能なシグナチャーは何か？
• RQ5 Oヘリウムは異常同位体の実験的上限に反しない形で、冷たい核変換を引き起こせるか？

主な発見

• 原始的¯U過剰が r¯U ∼ 10−12(350 GeV/mU) である場合、質量 mo ≈ 1.05 TeV/S5 のOヘリウム原子が生成可能である。
• Oヘリウム原子は (¯U¯U¯U) 反バリオンが 4He に結合することで形成され、中性で弱い力にほとんど相互作用する暗黒物質である。
• Oヘリウムはバリオン物質から初期に脱結合し、小スケール構造形成を抑制する。
• 異常同位体生成は 1原子あたり ∼5×10−23 に制限され、実験的上限を下回る。
• 宇宙線中のOヘリウムは ∆−−3¯U/4He ∼ 10−7 の割合で検出可能であり、PAMELA や AMS で観測可能である。
• 検出器内でのOヘリウムの破壊により、エネルギー付加量は ∼2.5×10−4 eV/A/S5 にまで低下し、直接検出しきい値をはるかに下回る。