[論文レビュー] Cosmological and Astrophysical Constraints on Tensor Unparticles

Ian Lewis|ArXiv.org|Oct 23, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノ-ニュートリノおよび光子-光子対消滅からのリlic密度と、電子-陽電子および光子-光子対消滅からの超新星エネルギー損失率を計算することで、テンソル未発見粒子に対する宇宙論的および天体物理学的制約を導出する。その結果、コライダーの素粒子物理学的解析においては、従来の仮定よりも少なくとも1桁以上小さい結合定数が必要であることが判明し、特に $\kappa < 4.3 \times 10^{-5}$（$d_{\mathcal{U}} = 4/3$）および $\kappa < 1.0 \times 10^{-1}$（$d_{\mathcal{U}} = 2$）が、$\Lambda_{\mathcal{U}} = 1$ TeV の場合に最も厳しい制約となる。

ABSTRACT

We calculate cosmological and astrophysical bounds on the couplings between standard model fields and tensor unparticles. The present day density of tensor unparticles from neutrino-neutrino and photon-photon annihilation is calculated. Also, the supernovae volume energy loss rates from electron-positron and photon-photon annihilation to tensor unparticles are calculated. The constraints from matter density and supernovae volume energy loss rates from photon-photon annihilation are on the same order of magnitude, while the bounds from supernovae volume energy loss rates from electron-positron annihilation are an order of magnitude lower. We find the couplings between standard model fields and tensor unparticles are at least an order of magnitude lower than those used for previous studies of tensor unparticle collider phenomenology.

研究の動機と目的

• 標準模型場へのテンソル未発見粒子の結合定数に関する宇宙論的および天体物理学的制約を導出すること。
• 初期宇宙におけるニュートリノ-ニュートリノおよび光子-光子対消滅過程からの現在のテンソル未発見粒子密度を計算すること。
• 電子-陽電子および光子-光子対消滅によるテンソル未発見粒子への超新星体積エネルギー損失率を計算すること。
• 第五力実験および超新星観測からの既存の制約と比較すること。
• 得られた結合定数の制限に基づいて、将来のコライダー実験におけるテンソル未発見粒子の信号の実現可能性を再評価すること。

提案手法

• 無粒子の脱構築法を用い、$\Delta \to 0$ の極限において、スカラー的場 $\lambda^{\mu\nu}_j$ の連続的質量スペクトル $M_j^2 = \Delta^2 j$ を導入する。
• 熱場理論およびスペクトル密度関数を用いて、$\nu\bar{\nu}$ および $\gamma\gamma$ 対消滅からのテンソル未発見粒子のリlic密度を計算する。
• 位相空間および行列要素技術を適用して、$e^+e^-$ および $\gamma\gamma$ 対消滅によるテンソル未発見粒子への超新星エネルギー損失率を計算する。
• SN1987Aからのエネルギー損失率観測制約および宇宙物質密度からの未発見粒子の豊度制約を用いて、結合定数を制約する。
• 相互作用の有効ラグランジアン $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim \kappa_{\gamma}/\Lambda^{d_{\mathcal{U}}}_{\mathcal{U}} F_{\mu\nu}F^{\mu\nu} O^{\mu\nu}_{\mathcal{U}}$ および $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim \kappa_f/\Lambda^{d_{\mathcal{U}}}_{\mathcal{U}} \bar{\psi}_f \gamma^{(\mu} \stackrel{\leftrightarrow}{D}^{\nu)} \psi_f O_{\mathcal{U}}^{\mu\nu}$ を用いる。
• $\kappa_{\gamma} = \kappa_{\nu} = \kappa$ および $\Lambda_{\mathcal{U}} = 1$ TeV を仮定して、$d_{\mathcal{U}}$ の異なる値における数値的制約を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙における $\nu\bar{\nu}$ および $\gamma\gamma$ 対消滅から生成されたテンソル未発見粒子の現在のリlic密度は何か？
• RQ2 電子-陽電子および光子-光子対消滅によるテンソル未発見粒子への超新星エネルギー損失率は、その結合定数にどのような制約を課えるか？
• RQ3 これらの宇宙論的および天体物理学的制約は、第五力実験およびベクトル未発見粒子の研究からの既存の制約とどのように比較できるか？
• RQ4 これらの制約は、LHCおよび将来の e+e− コライダーにおけるテンソル未発見粒子のコライダー素粒子物理学的性質にどのような意味を持つか？
• RQ5 結合定数の制約は、未発見粒子のスケーリング次元 $d_{\mathcal{U}}$ にどのように依存するか？

主な発見

• $\nu\bar{\nu}$ および $\gamma\gamma$ 対消滅からの現在のテンソル未発見粒子密度は、結合定数および自己同型スケール $\Lambda_{\mathcal{U}}$ に対する制約を提供する。
• 電子-陽電子対消滅による超新星エネルギー損失率は、$\kappa_e$ の制約を $\gamma\gamma$ 対消滅に比べて1桁弱くする。
• $\Lambda_{\mathcal{U}} = 1$ TeV で等しい結合定数を仮定した場合、最も厳しい制約は $d_{\mathcal{U}} = 4/3$ のとき $\kappa < 4.3 \times 10^{-5}$ であり、$d_{\mathcal{U}} = 2$ のとき $\kappa < 1.0 \times 10^{-1}$ に減少する。
• これらの結合定数の制約は、$d_{\mathcal{U}} = 4/3$ の場合、従来のコライダー素粒子物理学的研究で用いられた値よりも少なくとも1桁小さい。$d_{\mathcal{U}} = 2$ の場合、5桁も小さい。
• これらの制約は、スカラー未発見粒子の超新星エネルギー損失制約と同程度のオーダーであり、$d_{\mathcal{U}} = 4/3$ および $5/3$ の場合、第五力制約より弱いが、$d_{\mathcal{U}} = 2$ の場合に同程度の強さである。
• これらの結果は、将来のコライダーにおけるテンソル未発見粒子の信号が著しく抑制されており、従来の予想よりも検出が困難であることを示唆している。