[論文レビュー] Constraining scalar dark matter with Big Bang nucleosynthesis and atomic spectroscopy

Y. V. Stadnik, V. V. Flambaum|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 28被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ビッグバン核合成（BBN）期における基本定数への影響を通じてスカラー暗黒物質を制限し、初期宇宙のヘリウム4生成割合を用いて光子、軽いクォーク、および質量を持つベクトルボソンへの結合定数を制限する。論文は、スカラー場の二次および一次結合に対するきめ細やかな制限を導出し、これまで制限がなかったパラメータ空間の広い領域を除外する。さらに、ジスプロシウム分光測定データを用いて光子結合に対する制限を強化している。

ABSTRACT

Scalar dark matter can interact with Standard Model (SM) particles, altering the fundamental constants of Nature in the process. Changes in the fundamental constants during and prior to Big Bang nucleosynthesis (BBN) produce changes in the primordial abundances of the light elements. By comparing the measured and calculated (within the SM) primordial abundance of $^{4}$He, which is predominantly determined by the ratio of the neutron-proton mass difference to freeze-out temperature at the time of weak interaction freeze-out prior to BBN, we are able to derive stringent constraints on the mass of a scalar dark matter particle $ϕ$ together with its interactions with the photon, light quarks and massive vector bosons via quadratic couplings in $ϕ$, as well as its interactions with massive vector bosons via linear couplings in $ϕ$. We also derive a stringent constraint on the quadratic interaction of $ϕ$ with the photon from recent atomic dysprosium spectroscopy measurements.

研究の動機と目的

• スカラー暗黒物質（DM）がビッグバン核合成（BBN）期における基本定数に与える影響を通じて、その制限を求める。
• 中性子-陽子質量差および弱い相互作用の凍結温度の変化が、初期宇宙ヘリウム4生成割合に与える影響を調査する。
• 二次および一次相互作用を通じて、スカラーDMが光子、軽いクォーク、および質量を持つベクトルボソンへ結合する際の新しい制限を導出する。
• 最近の原子分光測定によるジスプロシウムデータを用いて、スカラーDMが微細構造定数への二次結合を制限する。
• 宇宙論的および実験的測定を組み合わせることで、これまで制限がなかったスカラーDMパラメータ空間の領域を除外する。

提案手法

• スカラー暗黒物質を、SM粒子と二次もしくは一次相互作用によって結合する軽い振動する場φとしてモデル化する。
• フェルミオン、光子、および質量を持つベクトルボソンとの相互作用をそれぞれL_int^f、L_int^γ、L_int^Vという有効ラグランジアン項で記述する。
• 基本定数の誘導的変動を導出する：m_f → m_f(1 ± φ/Λ_f)、α → α(1 ± φ/Λ_γ)、M_V → M_V(1 ± φ/Λ_V)。
• BBN期における基本定数の変動に敏感な主要観測量として、中性子-陽子質量差/弱い相互作用の凍結温度比Q_np/T_Fを用いる。
• BBN計算と測定された初期宇宙ヘリウム4生成割合を組み合わせることで、スカラー場の結合スケールΛ′_Xおよびφの振幅を制限する。
• Budkerら（2015）によるジスプロシウム分光測定データを用いて、φが電磁場（αの変動）への二次結合を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー暗黒物質がSM粒子と相互作用することで、ビッグバン核合成期に基本定数がどのように変化するか？
• RQ2 中性子-陽子質量差および弱い相互作用の凍結温度の変化が、初期宇宙ヘリウム4生成割合にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 BBN観測を用いることで、スカラーDMが光子、軽いクォーク、および質量を持つベクトルボソンへ結合するスケールにどのような制限を課せられるか？
• RQ4 最近の微細構造定数の原子分光測定結果は、スカラーDMが光子へ結合する際の制限にどのように寄与するか？
• RQ5 BBNと原子分光測定データを組み合わせることで、スカラーDMパラメータ空間のどの領域が除外可能か？

主な発見

• 論文は、BBNとヘリウム4生成割合に基づき、スカラー暗黒物質の光子への二次結合に関する制限を導出し、(1/m_φ²)(m_φ/(3×10⁻¹⁶ eV))³ᐟ²[0.08κ′_γ/(Λ′_γ)² + ...] ≈ (0.5 ± 1.3)×10⁻²⁰ eV⁻⁴ となる。
• BBNからの制限により、光子、軽いクォーク、および質量を持つベクトルボソンへの結合に対して、これまで制限がなかったパラメータ空間の広い領域が除外される。
• ジスプロシウム分光測定により、φが光子への二次結合に対してさらに制限が強化され、その結果が図2（赤線より下）に示されている。
• 軽いクォークへの結合に関しては、Λ′_γ ≫ Λ′_q および Λ′_V ≫ Λ′_q の場合に制限が最も強く、除外領域は図3（青線より下）に示されている。
• 質量を持つベクトルボソン（WおよびZ）への結合に関しては、Λ′_γ ≫ Λ′_V および Λ′_q ≫ Λ′_V の場合に制限が最も強く、除外領域は図4（青線より下）に示されている。
• 解析では、スカラーDMが現在の暗黒物質エネルギー密度に達していると仮定し、<φ²>_{weak} ≫ <φ²>_0 の関係を用いて、初期宇宙における変動への感度を高めている。