[論文レビュー] Exploring the Role of Axions and Other WISPs in the Dark Universe

Andreas Ringwald|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 88被引用数 18

ひとこと要約

この論文は、強いCP問題や弦理論に由来するモデルからの理論的・物性的動機づけを強調し、初期宇宙における非熱的生成を経て、マイクロ波キャビティ、ヘリオスコープ、光を壁の向こうに通す実験（Light-shining-through-a-wall）による検出可能性を含め、axionおよびその他の非常に弱く相互作用するスリム粒子（WISPs）が有望なダークマター候補であることをレビューしている。質量と光子結合定数のパラメータ空間の広い領域が観測された冷たいダークマター密度を説明可能であり、近い将来の実験がこれらの領域を包括的に探査する準備ができていることを強調している。

ABSTRACT

Axions and other very weakly interacting slim particles (WISPs) may be non-thermally produced in the early universe and survive as constituents of the dark universe. We describe their theoretical motivation and their phenomenology. A huge region in parameter space spanned by their couplings to photons and their masses can give rise to the observed cold dark matter abundance. A wide range of experiments - direct dark matter searches exploiting microwave cavities, searches for solar axions or WISPs, and light-shining-through-a-wall searches - can probe large parts of this parameter space in the foreseeable future.

研究の動機と目的

• 観測された冷たいダークマター密度を説明するためのWIMPsの代替候補としてのaxionおよびWISPsの妥当性を評価すること。
• 強いCP問題および弦理論に由来するモデルからのaxionの理論的動機づけを検討すること。
• axionおよびWISPsの質量や光子への結合定数といったパラメータに対する宇宙論的・天体物理学的制約を評価すること。
• さまざまなWISP検出技術における現在および将来の実験感度をマップすること。
• WISPsの広大で未開拓のパラメータ空間を探索するため、低エネルギー・高強度の実験プログラムを拡大することを提唱すること。

提案手法

• 初期宇宙における真空中の再配置によるaxionおよびWISPの生成の理論的分析、特にQCD axionおよびaxion-like particleのケースを対象とする。
• WISPsと光子、および標準模型の他の場との結合を記述するための有効場理論の使用、隠れたU(1)ゲージボソンやミニチャージド粒子を含む。
• 星の冷却や宇宙マイクロ波背景放射からの制約といった、宇宙論的・天体物理学的制約を用いてWISPのパラメータ空間を制限すること。
• ハロスコープ（マイクロ波キャビティ探索）、ヘリオスコープ（太陽axion検出）、光を壁の向こうに通す（LSW）実験の3つの実験手法の体系的レビュー。
• ALPS-I、ALPS-II、REAPR、ADMXといった実験の現在および予想される感度を比較し、光学的およびマイクロ波LSW設定を含む。
• 天体観測（例：隠れた光子によるダーク放射の説明）の結果と、実験室ベースの検出戦略を統合し、有望なパラメータ領域を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙における非熱的生成によって生成されたaxionおよびWISPsは、観測された冷たいダークマター密度を説明できるか？
• RQ2 強いCP問題および弦理論のコンactificationから生じる主な理論的動機づけは何か、特にaxionおよびWISPsに関して。
• RQ3 天体物理学的・宇宙論的観測は、axionおよびWISPsの質量や結合定数パラメータをどの程度制限するか？
• RQ4 実験室ベースの光を壁の向こうに通す実験は、天体物理学的仮定に依存せずに、どの程度WISPのパラメータ空間を探索できるか？
• RQ5 ALPS-IIやREAPRといった次世代実験によるWISPsの発見の可能性はいかがなものか？

主な発見

• QCD axionは強いCP問題に対するwell-motivatedな解決策を提供し、真空中の再配置によって自然に冷たいダークマター候補を生成する。
• axion-like particleおよび隠れた光子は弦理論に由来するモデルに現れ、同じ真空中の再配置メカニズムによって生成される。
• 現在の天体物理学的制約（特に星の冷却と宇宙マイクロ波背景放射からの制約）は、すでにWISPパラメータ空間の広い領域を制限している。
• ALPS-I実験は、meVスケールの質量領域における隠れた光子の実験的限界を最も厳しく設定し、ダーク放射モデルが示唆するパラメータ領域の一部を除外した。
• 次世代実験であるALPS-IIおよびREAPRは、現在のヘリオスコープ感度を上回り、天体物理学的ヒントに支持されるパラメータ領域を探索する見込みである。
• マイクロ波ベースのLSW実験は、隠れた光子の検出において特に有望であり、ADMXおよびCERNの実験による予想される感度は、これまで未探索であった領域をカバーする見込みである。