[論文レビュー] Dark Atoms and their decaying constituents

K. M. Belotsky, Maxim Khlopov+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、ウォークイン技彩理論における多成分ダークマター・モデルを提案する。安定な二重電荷を帯びた技術レプトン（$\zeta^{--}$）が支配的であるOHeダーク原子を形成する一方、準安定な$UU^{++}$技術バリオンが、WIMPに類似た成分（$UU\zeta$）を形成する。これらの崩壊は、同じ符号の陽電子対（$e^+e^+$、$\mu^+\mu^+$、$\tau^+\tau^+$）を生成し、AMS-02が観測した宇宙線陽電子過剰を、最適適合質量900 GeVおよび寿命$4.59 \times 10^{20}$ sで説明する。これはFermi-LATガンマ線制約と整合的である。

ABSTRACT

The nonbaryonic dark matter of the Universe might consist of new stable charged species, bound by ordinary Coulomb interactions in various forms of heavy neutral "dark atoms". The existing models offer natural implementations for the dominant and subdominant forms of dark atom components. In the framework of Walking Technicolor the charge asymmetric excess of both stable negatively doubly charged technilepton $ζ^{--}$ and metastable but longliving positively doubly charged technibaryon $UU^{++}$ can be generated in the early Universe together with the observed baryon asymmetry. If the excess of $ζ$ exceeds by several orders of magnitude the excess of $UU$, dark matter might consist dominantly by $Heζ$ dark atoms of nuclear interacting O-helium ($OHe$) bound state of $ζ$ with primordial helium. Although sparse, this subdominant component can lead to observable effects, since leptonic decays of technibaryons $UU$ give rise to two positively charged leptons contrary to the pairs of opposite charge leptons created in decays of neutral particles. We show that decays of $UU^{++} ightarrow e^+ e^+, μ^+ μ^+, τ^+ τ^+$ of the subdominant $UUζ$ component of dark matter, can explain the observed high energy positron excess in the cosmic rays if the fraction of $UUζ$ is $\sim 10^{-6}$ of the total dark matter density, the mass of $UU^{++}$ about 1 TeV and the lifetime about $10^{20} $s. Optimizing fit of recent AMS-02 data by model parameters, the predicted mass range of such long-living double charge particle is challenging for its search at the LHC. (abridged)

研究の動機と目的

• 標準的WIMPモデルでは説明できないDAMA/NaIおよびDAMA/LIBRA実験における年齢周期的変動の正の結果を説明すること。
• 直接検出実験の制約を避けるために、観測された宇宙線陽電子過剰をダークマターの崩壊によって説明すること。
• ダークマターが支配的OHe原子と副次的なWIMPに類似た$UU\zeta$成分から成る、宇宙論的に整合的なシナリオを提示すること。
• GUTスケールの崩壊モデルにおいて、最小限のパラメータでAMS-02陽電子データとFermi-LATガンマ線背景をフィットすること。
• 長寿命の二重電荷粒子のLHC探索可能なシグナルを同定すること。

提案手法

• 直接検出における核反発が無視できるほど小さいため、$\zeta^{--}$と初期の$^4$Heが形成するOHe束縛状態としてダークマターをモデル化する。
• 準安定な$UU^{++}$技術バリオンから生じる副次的な$UU\zeta$ WIMPに類似た成分を導入し、同じ符号の電荷を帯びたレプトンへ崩壊する。
• 崩壊率式（式1）を用いて、$UU^{++}$崩壊からの陽電子およびガンマ線フラックスを計算し、分岐比$Br_e$、$Br_\mu$、$Br_\tau$を用いる。
• AMS-02陽電子フラックスおよび割合データにモデルをフィットし、100 GeV以上のFermi-LAT拡散ガンマ線データへ拡張する。
• 質量範囲（700–1400 GeV）において$\chi^2$統計的検定を用いてパラメータを最適化し、観測データからのずれを最小化する。
• LHCでの検出可能性を評価するため、$UU^{++}$の質量と寿命を評価し、900 GeV付近で$\tau \sim 10^{20}$ sの有効な領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAMA/NaIおよびDAMA/LIBRAにおける年齢周期的信号は、ナトリウムへのOHeダークマターの放射的捕獲によって説明可能か？ これは直接検出実験における核反発を引き起こさないか？
• RQ2 観測された宇宙線陽電子過剰は、同じ符号の電荷を帯びたレプトンを最終状態とする副次的なWIMPに類似たダークマター成分（$UU\zeta$）の崩壊によって説明可能か？
• RQ3 Fermi-LATが測定した拡散ガンマ線背景、特に高エネルギー尾部において、このモデルは整合的か？
• RQ4 AMS-02陽電子データに最もよくフィットする$UU^{++}$の質量と寿命は何か？ 一方でガンマ線観測の制約も満たしているか？
• RQ5 このモデルは、次回LHCランで探索可能な長寿命の二重電荷粒子を予測できるか？

主な発見

• AMS-02陽電子データに最適適合するモデルでは、$UU^{++}$の質量が900 GeV、寿命が$4.59 \times 10^{20}$ s、分岐比は$Br_e = 0.195$、$Br_\mu = 0.129$、$Br_\tau = 0.676$であり、$\chi^2/n.d.f. = 0.57$を達成する。
• 全ダークマター密度の約$10^{-6}$を占める副次的な$UU\zeta$成分は、直接検出限界を超過せずに高エネルギー陽電子過剰を説明可能である。
• モデルは高エネルギー領域における陽電子分率の顕著な増加を予測し、AMS-02の観測と整合的である。一方で、Fermi-LATエネルギー範囲におけるガンマ線の過剰生成を回避する。
• 質量900 GeV、寿命$4.59 \times 10^{20}$ sの$UU^{++}$粒子は、次回LHCランで探索可能であり、検証可能なシグナルを提供する。
• 直接検出では観測不能なOHeダークマター成分は、低エネルギーの放射的捕獲によってDAMAにおける年齢周期的変動を説明でき、XENON100およびLUXとの矛盾を解消する。
• モデルは宇宙論的制約と整合的である。OHe成分はクーロン障壁によって安定化されており、初期宇宙における電荷非対称性によって$UU^{++}$の豊度が抑制されている。