[論文レビュー] Cosmology and Dark Matter

V. A. Rubakov|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超える素粒子物理学の宇宙論的証拠をレビューしており、WIMPs、アクシオン、ステアリングニュートリノ、およびファジー暗黒物質といった暗黒物質候補、およびテヴスケールにおけるバリオゲネシス機構に焦点を当てる。CMB非等方性および大規模構造が、おそらくインフレーションである前熱的時代を示唆しており、今後の原始重力波およびCMBにおける統計的非等方性の観測によってその性質を調べられる可能性があると主張する。

ABSTRACT

Cosmology and astroparticle physics give strongest possible evidence for the incompleteness of the Standard Model of particle physics. Leaving aside misterious dark energy, which may or may not be just the cosmological constant, two properties of the Universe cannot be explained by the Standard Model: dark matter and matter-antimatter asymmtery. Dark matter particles may well be discovered in foreseeable future; this issue is under intense experimental investigation. Theoretical hypotheses on the nature of the dark matter particles are numerous, so we concentrate on several well motivated candidates, such as WIMPs, axions and sterile neutrinos, and also give examples of less motivated and more elusive candidates such as fuzzy dark matter. This gives an idea of the spectrum of conceivable dark matter candidates, while certainly not exhausting it. We then consider the matter-antimatter asymmetry and discuss whether it may result from physics at 100~GeV -- TeV scale. Finally, we turn to the earliest epoch of the cosmological evolution. Although the latter topic does not appear immediately related to contemporary particle physics, it is of great interest due to its fundamental nature. We emphasize that the cosmological data, notably, on CMB anisotropies, unequivocally show that the well understood hot stage was not the earliest one. The best guess for the earlier stage is inflation, which is consistent with everything known to date; however, there are alternative scenarios. We discuss the ways to study the earliest epoch, with emphasis on future cosmological observations.

研究の動機と目的

• 宇宙論における標準模型を超える理論的および観測的証拠を評価すること、特に暗黒物質およびバリオン非対称性に関して。
• WIMPs、アクシオン、およびステアリングニュートリノといったwell-motivatedな暗黒物質候補の妥当性を評価し、ファジー暗黒物質のようなより非伝統的な選択肢を検討すること。
• 物質-反物質非対称性が電弱スケールの物理、例えば電弱バリオゲネシスやステアリングニュートリノの振動によって生じる可能性があるかどうかを調査すること。
• 特にCMB非等方性を含む宇宙論的データが、インフレーション以前の時代の存在および原始摂動の性質に与える含意を分析すること。
• インフレーションと代替の初期宇宙シナリオを区別するための、将来の観測的シグネチャ、例えばテンソルモードおよび統計的非等方性を特定すること。

提案手法

• フラッドリック＝ロバートソン＝ウォーカー（FLRW）計量およびフレリッチマン方程式を用いて、放射、物質、および暗黒エネルギー支配時代における宇宙の均一かつ等方的進化を記述する。
• CMB非等方性データおよびBAO（バリオン音響振動）を標準定規として用い、宇宙論的パラメータを制約し、暗黒物質および暗黒エネルギーを調べる。
• 熱的レリック密度の計算を適用して、WIMPの凍結断面積を推定し、直接および間接検出実験と結びつける。
• 強いCP問題および初期宇宙におけるアクシオン生成を検討し、アクシオン様粒子および実験的探索戦略を含む。
• 崩壊および振動シグネチャを通じて、ステアリングニュートリノが温かい暗黒物質候補として果たす役割を評価する。
• アディアバティック性、ガウス性、ほぼスケール不変スペクトルに注目し、インフレーション機構による原始摂動の生成を評価する。特にテンソルモード（Bモード偏光）はインフレーションの決定的証拠である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最も妥当な理論的暗黒物質候補は何か、そして地上実験における素粒子物理学とどのように関連しているか？
• RQ2 宇宙の物質-反物質非対称性は、電弱スケールの物理、例えば電弱バリオゲネシスやステアリングニュートリノの振動によって説明可能か？
• RQ3 Bモード偏光や統計的非等方性といった観測的シグネチャは、インフレーションと代替の前熱的時代シナリオを区別できるか？
• RQ4 ホットビッグバン以前の段階で生成された宇宙論的摂動は、初期宇宙の性質にどのような制約を課えるか？
• RQ5 CMB偏光および重力波検出を含む将来の宇宙論的観測は、インフレーション以前の時代の物理をどの程度探査できるか？

主な発見

• CMB非等方性および大規模構造の観測は、ホットビッグバンが宇宙の最初の段階ではなかったことを明確に示しており、非熱的時代の存在を示唆する。
• プランクおよびBICEP2/KEKデータによるテンソル対スカラー比 $ r $ の制約は、いくつかの単純なインフレーションモデルを除外し、原始重力波の主要なプローブを提供する。
• CMBにおけるBモード偏光は、原始テンソルモード（重力波）の独自のシグネチャであり、その検出はインフレーションの決定的証拠となる。
• 弱いスケールの断面積を持つWIMPsは、観測された暗黒物質の残存密度を自然に再現するため、直接および間接検出実験の主要候補である。
• アクシオンは強いCP問題の解決策として現れ、有効な暗黒物質候補であり、現在および計画中の実験がその生成および検出を探索している。
• CMBにおける統計的非等方性は、きびしく制約されているが、ベクトル場駆動インフレーションや共形モデルのような代替のインフレーション以前のダイナミクスを示唆する可能性があり、標準インフレーションとは区別可能なテスト可能な特徴を提供する。