[論文レビュー] Constraints on Light Hidden Sector Gauge Bosons from Supernova Cooling

James B. Dent, Francesc Ferrer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 68

ひとこと要約

本稿では、光った隠れたセクターU(1)'ゲージボソンが超新星冷却に与える影響、特に光子との運動混合を介した核子-核子ブレムストラール過程を通じて、それらの制約を改善している。捕獲、崩壊、陽子および中性子における散乱を厳密に考慮することで、特に現在の観測限界付近において、従来の推定と比較して質量-結合定数空間における除外領域を著しく拡大した。

ABSTRACT

We derive new bounds on hidden sector gauge bosons which could produce new energy loss mechanisms in supernovae, enlarging the excluded region in mass-coupling space by a significant factor compared to earlier estimates. Both considerations of trapping and possible decay of these particles need to be incorporated when determining such bounds, as does scattering on both neutrons and protons. For masses and couplings near the region which saturates current bounds, a significant background of such gauge bosons may also be produced due to the cumulative effects of all supernovae over cosmic history.

研究の動機と目的

• コア崩壊超新星におけるエネルギー損失効果を分析することで、軽い隠れたセクターU(1)'ゲージボソンの制約を改善すること。
• 超新星コアにおける粒子の捕獲、崩壊、および陽子と中性子の両方における散乱といった、これまで無視されていた効果を考慮すること。
• 中性子が豊富な環境における$A^\prime$ボソンを含むブレムストラール過程の理論的枠組みを精緻化すること。
• すべての過去の超新星からの累積的生成を評価し、宇宙の歴史を通じての$A^\prime$ボソンの生成量を定量化すること。
• $A^\prime$ボソンの質量および運動混合パラメータ$\epsilon$に対するより正確で包括的な制約を提示すること。

提案手法

• 有効場理論を用いて、外部および内部ブレムストラールダイアグラムの寄与を含めた、過程$p + n \to p + n + A^\prime$の行列要素を計算した。
• スピン状態の合計と初期スピンの平均化を施し、$A^\prime$生成過程の完全な運動論的構造を組み込んだ、微分断面積を導出した。
• 次元なし変数$u$, $v$, $z$, $x$を用いた相空間積分を行い、デルタ関数およびボルツマン分布からの指数的抑制を組み込んだ。
• 行列要素の二乗は、すべて$e^2\epsilon^2 f_{pn}^4$に比例する結合定数$C_k$, $C_l$, $C_{AE'}$, $C_{B'E'}$, $C_{E'E'}$の関数として表現された。
• 全エネルギー損失率は、すべてのダイアグラムからの寄与を含めた相空間積分により計算され、SN1987aの観測エネルギー損失と比較された。
• $A^\prime$の捕獲および崩壊に対する補正を含めたことで、有効エネルギー損失率が影響を受けること、したがって導かれる制約にも影響を与えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星冷却から、隠れたセクター$U(1)'$ゲージボソンの質量および運動混合パラメータ$\epsilon$に対する改善された制約は何か？
• RQ2 $A^\prime$ボソンの捕獲および崩壊は、超新星コアにおけるエネルギー損失率にどのように影響するか？
• RQ3 陽子および中性子の両方における散乱は、$A^\prime$生成率を高める役割を果たすか？
• RQ4 すべての過去の超新星からの累積的放射により、$A^\prime$ボソンの現在の背景密度にどのような影響があるか？
• RQ5 物理的効果を無視した従来の$A^\prime$エネルギー損失推定値は、真の制約をどの程度低く見積もっているか？

主な発見

• 従来の研究と比較して、特に$m_{A^\prime} > 1$ MeVの領域において、$m_{A^\prime}$–$\epsilon$パrameter空間における除外領域が著しく拡大された。
• $A^\prime$の捕獲および崩壊効果を組み込むことで、より正確なエネルギー損失率が得られ、$\epsilon$の制約が厳しくなった。
• 陽子および中性子の両方における散乱がブレムストラール過程に顕著な寄与を示し、エネルギー損失率は従来の推定を上回った。
• 現在の観測限界付近の$m_{A^\prime}$および$\epsilon$の値では、累積的な超新星放射により、非負な$A^\prime$ボソンの背景が宇宙の歴史を通じて生成される可能性がある。
• 外部および内部ブレムストラール、相空間積分、フェルミ-ディラック分布からの抑制要因を含めた、すべての関連プロセスを統合した、より強固で包括的な制約が得られた。