[論文レビュー] ELKO as dark matter candidate

Bakul Agarwal, A. Nayak+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2014

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、宇宙線プラズマと熱平衡にあった場合を除き、ELKOフェルミオンが冷たい暗黒物質候補として成立するかを調査し、光子およびヒッグスボソンとの結合を検討した結果、宇宙論的・天体物理学的・直接検出の制約により、ELKOが暗黒物質に顕著な寄与を果たすのは、宇宙線プラズマと熱平衡に一度もならなかった場合に限られる。唯一現実的なシナリオは、非熱的生成と特定の自己結合定数-質量関係を満たすことで、銀河中心核の観測と整合する。

ABSTRACT

We study the implications of the ELKO fermions as a cold dark matter candidate. Such fermions arise in theories that are not symmetric under the full Lorentz group. Although they do not carry electric charge, ELKOs can still couple to photons through a nonstandard interaction. They also couple to the Higgs but do not couple to other standard model particles. We impose limits on their coupling strength and the ELKO mass assuming that these particles give dominant contribution to the cosmological cold dark matter. We also determine limits imposed by the direct dark matter search experiments on the ELKO-photon and the ELKO-Higgs coupling. Furthermore we determine the limit imposed by the gamma ray bursts time delay observations on the ELKO-Higgs coupling. We find that astrophysical and cosmological considerations rule out the possibility that ELKO may contribute significantly as a cold dark matter candidate. The only allowed scenario in which it can contribute significantly as a dark matter candidate is that it was never in equilibrium with the cosmic plasma. We also obtain a relationship between the ELKO self-coupling and its mass by demanding it to be consistent with observations of dense cores in the galactic centers.

研究の動機と目的

• 初期宇宙におけるELKOフェルミオンが、実現可能な冷たい暗黒物質候補であるかどうかを評価すること。
• 直接暗黒物質探索およびガンマ線バーストの時間遅れから得られる観測データを用いて、ELKO-光子およびELKO-ヒッグス結合定数を制約すること。
• 観測された暗黒物質密度に顕著な寄与を果たすためのELKOの条件を特定すること。
• 観測された高密度銀河中心核と整合するELKOの自己結合定数-質量関係を導出すること。

提案手法

• ローレンツ対称性破れ理論における非標準的相互作用を通じて、ELKOがヒッグスおよび光子と結合する仕組みを分析すること。
• 直接暗黒物質検出実験からの制約を適用し、ELKO-光子およびELKO-ヒッグス結合定数の上限を求める。
• ガンマ線バーストの時間遅れ観測を用いて、光子伝播効果を制約し、ELKO-ヒッグス結合を制限する。
• 宇宙論的および天体物理学的境界を評価し、ELKOの残響密度に対する熱平衡の妥当性を検証する。
• 銀河中心の高密度核の観測と整合するために、自己結合定数-質量関係を導出する。
• 熱的および非熱的生成シナリオにおけるELKOの残響密度を評価し、暗黒物質としての妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ELKOフェルミオンが宇宙線プラズマと熱平衡にあった場合、冷たい暗黒物質の顕著な寄与を果たせるか？
• RQ2 直接検出実験から導かれるELKO-光子およびELKO-ヒッグス結合定数の上限は何か？
• RQ3 ガンマ線バーストの時間遅れ観測は、ELKO-ヒッグス結合にどのように制約を加えるか？
• RQ4 宇宙論的または天体物理学的観測に矛盾しない範囲で、ELKOが暗黒物質密度に顕著な寄与を果たせる条件は何か？
• RQ5 観測された高密度銀河中心核を再現するためには、ELKOの自己結合定数と質量のどのような関係が必要か？

主な発見

• ELKOが宇宙線プラズマと一度も熱平衡にあった場合、強力な宇宙論的および天体物理学的制約により、冷たい暗黒物質に顕著な寄与を果たせない。
• 直接検出実験により、ELKO-光子およびELKO-ヒッグス結合定数に対する厳密な上限が課される。
• ガンマ線バーストの時間遅れ観測により、ELKO-ヒッグス結合がさらに制限され、大きな値は排除される。
• ELKOが主な暗黒物質成分である唯一現実的なシナリオは、宇宙線プラズマと熱平衡に一度もならなかった場合である。
• 観測された銀河中心核の高密度構造と整合するためには、ELKOの自己結合定数と質量の特定の関係が必要である。