[論文レビュー] Early inflation induced gravity waves can restrict Astro-Particle physics

S. Nussinov|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、高スケールのインフレーションと高再結合温度が、特にコールド・ダーク・マター（CDM）モデルに与える制約を調査する。標準的なフリーズアウトによる生成では、20 GeVを超える質量の重いダークマター粒子（X）が過剰に生成され、CDMの残り滓密度の上限に反する。主な貢献は、閉じ込められた非アーベルゲージ相互作用（スケールΛ′ < M(X)）のみが、効率的な遅延状態の対消滅を可能にし、この矛盾を解消できることを示したことである。

ABSTRACT

In this paper, we discuss limits on various astro-particle scenarios if the scale extit{and} the reheat temperature of the last relevant inflation were very high. While the observed "B" like pattern of polarizations of the CMB suggest a very high ($\ge 10^{16}\ GeV$) scale of a primordial (which motivated this work initially) and may reflect effects of dust, we believe that addressing these issues is nonetheless very useful. We recall the potential difficulties with various topological defects - monopoles, strings and domain walls generated at the SSB (spontaneous symmetry breaking) of various gauge symmetries. The main part of the paper is devoted to discussing difficulties with long-lived heavy particles, which could be dark matter but cannot efficiently annihilate to the required residual density because of basic S-Matrix unitarity/analyticity limits. We indicate in simple terms yet in some detail how the WIMP miracle occurs at $M(X)\sim{TeV}$ and how the axiomatic upper bound presently updated to $M(X) \le{110 TeV}$ was originally derived by Greist and Kamionokowski. We also argue that generically we expect the stronger $M(X)\le{20\ GeV}$ bound to hold. We then elaborate on the pure particle physics approaches aiming to enhance the annihilation and evade the bounds. We find that the only and in fact very satisfactory way of doing this requires endowing the particles with gauge interactions with a confinement scale lower than $M(X)$. We also comment on models with light $O(KeV)$ dark matter, which was supposed to be frozen in via out-of equilibrium processes so as to have the right relic densities pointing out that in many such cases extit{very} low reheat temperatures are indeed required and speculate on the large desert scenario of particle physics. Most of what we discuss is not new but was not presented in a coherent fashion.

研究の動機と目的

• 高スケールのインフレーションと高再結合温度の仮定の下で、宇宙粒子物理学モデルに課される制約を検討すること。
• 標準的な重いダークマター候補（例：WIMPs）が、消滅が強化されない限り、質量 >20 GeV ではなぜ過剰に生成されるのかを特定すること。
• 消滅断面積に対するS行列のユニタリティ制約を回避するメカニズムを調査すること。
• 非平衡状態で生成されるkeVスケールの軽いダークマター候補の妥当性を評価すること。
• 電弱スケールとプランク/GUTスケールの間の素粒子物理学における「大スケールの砂漠」が、宇宙論的制約と整合するかどうかを評価すること。

提案手法

• S行列のユニタリティと解析的性質に基づく消滅振幅への制約を用いて、熱的フリーズアウトからの残り滓密度制約を分析する。
• Greist-Kamionokowski（GK）の消滅断面積に対する制約を適用し、ダークマター質量（M(X) ≤ 110 GeV、より強い制約としてM(X) ≤ 20 GeV）の上限を導出する。
• 閉じ込められた非アーベルゲージ相互作用（スケールΛ′ < M(X)）が、束縛状態やフラックスチューブの形成を通じて消滅率を向上させることの役割を検討する。
• 非平衡状態で生成されるkeVスケールのダークマターのモデルを評価し、低再結合温度で熱的過剰生成を回避できることを確認する。
• 崩壊するモジュライやその他の長寿命粒子からの遅延時刻のエントロピー注入が、希釈機構として果たす影響を評価する。
• S行列フレームワークが閉じ込めを記述できないことの理由を説明し、過剰生成問題を解消するための非摂動的ダイナミクスの必要性を正当化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 再結合温度が高ければ、重いダークマター候補（M(X) > 20 GeV）にどのような宇宙論的制約が課されるか？
• RQ2 S行列振幅のユニタリティおよび解析的性質の制約が、長寿命の重い粒子の消滅断面積にどのように制限を加えるか？
• RQ3 元のGreist-Kamionokowskiの制約（M(X) ≤ 340 TeV）が弱すぎる理由は何か？より注意深く分析することで、どの程度厳しい上限が得られるか？
• RQ4 Λ′ < M(X) である閉じ込められた非アーベルゲージ相互作用が、重いダークマターの過剰生成問題を解消できるか？
• RQ5 keVスケールのダークマターを含むモデルは、高再結合温度宇宙論において妥当なのか？過剰閉じ込めを避けるために必要な再結合温度はどの程度か？

主な発見

• 標準的なS行列のユニタリティおよび解析的性質の制約から、M(X) > 20 GeV のダークマター粒子は、消滅断面積が強化されない限り、熱的フリーズアウトによって正しい残り滓密度に到達できない。
• 元のGreist-Kamionokowskiの制約（M(X) ≤ 340 TeV）は、より厳しい上限（M(X) ≤ 110 GeV）に置き換えられ、より強い制約（M(X) ≤ 20 GeV）が一般的に有効であると主張される。
• M(X) よりもはるかに低いスケールΛ′ を持つ閉じ込められた非アーベルゲージ相互作用のみが、消滅率を著しく向上させ、効率的な遅延状態の対消滅を可能にし、過剰生成問題を解消できる。
• 非平衡状態で生成されるkeVスケールのダークマターのモデルは、再結合温度が熱的過剰生成を防げるほど十分に低い場合にのみ妥当である。
• 遅延時刻のエントロピー注入や新しい相互作用が存在しない場合、高再結合温度宇宙論は、妥当なダークマターモデルを強く制約する。
• 電弱スケールとプランク/GUTスケールの間の新しい物理がない「大スケールの砂漠」のシナリオは、依然として妥当であり、高スケールのインフレーションと再結合温度がそのようなギャップを排除しない。