[論文レビュー] Gravitino Dark Matter with Broken R-parity

Alejandro Ibarra|ArXiv.org|Oct 11, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、わずかに破れたR対称性を伴う重力レプトン暗黒物質の実現可能なシナリオを提案しており、次に軽い超対称粒子（NLSP）がビッグバン核合成（BBN）の前に崩壊することで、宇宙論的矛盾を回避する。モデルは、$10^{-14}$ から $10^{-7}$ のサイズのR対称性破れカップリングを生成し、NLSPの崩壊寿命をナノ秒程度に保つ。一方、重力レプトンは十分に長寿命であり、冷たい暗黒物質としての役割を果たすことができ、熱的レプトネーションと観測的制約と整合的である。

ABSTRACT

Scenarios with gravitino dark matter face potential cosmological problems induced by the presence of the Next-to-Lightest Supersymmetric Particle (NLSP) at the time of Big Bang Nucleosynthesis (BBN). A very simple, albeit radical, solution to avoid all these problems consists on assuming that R-parity is slightly violated, since in this case the NLSP decays well before the onset of BBN. Remarkably, even if the gravitino is no longer stable in this scenario, it still constitutes a very promising dark matter candidate. In this talk we review the motivations for this scenario and we present a model that naturally generates R-parity breaking parameters of the right size to produce a consistent thermal history of the Universe, while satisfying at the same time all the laboratory and cosmological bounds on R-parity breaking. We also discuss possible signatures of this scenario at gamma ray observatories and at colliders.

研究の動機と目的

• ビッグバン核合成（BBN）期における長寿命NLSPが引き起こす宇宙論的問題を解消すること。
• R対称性がわずかに破れる状況下でも、NLSPがBBNの前に崩壊する限り、重力レプトン暗黒物質が依然として有効であることを示すこと。
• R対称性破れカップリングを $10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$ の範囲に自然に生成するモデルを構築すること。この範囲は、実験的および宇宙論的制約と整合的である。
• ガンマ線観測と将来の加速器実験における崩壊する重力レプトン暗黒物質の観測可能なシグナルを特定すること。

提案手法

• R対称性破れを $\lambda_{ijk}$, $\lambda'_{ijk}$, および $\lambda''_{ijk}$ カップリングを通じて導入し、NLSPがナノ秒から数秒の寿命を持つようにすることで、BBNの破壊を回避するメカニズムを提示する。
• R対称性破れをB-Lゲージ対称性の破れに関連付けるモデルを用い、必要な小さなR対称性破れカップリングを自然に生成する。
• 電弱転移の前段階でR対称性破れカップリングが熱的平衡にないことを仮定し、バリオン非対称性が消去されないようにする。
• 重力レプトンの光子への崩壊断面積を計算し、式 $\tau_{3/2} \sim 10^{26}~{\rm s} \cdot (\lambda/10^{-7})^{-2} (m_{3/2}/10~{\rm GeV})^{-3}$ を用いて、拡散ガンマ線スペクトルと可能性のあるライン成分を導出する。
• 加速器におけるNLSPの崩壊長を推定：ストーキーNLSPでは $c\tau \sim 30~{\rm cm}$、ニュートラリノNLSPでは $\sim 1~{\rm m}$ となり、ずらされた頂点シグナルが得られる。
• 予測されたガンマ線スペクトル（銀河団および銀河間領域）をEGRETデータと比較し、背景放射のフィットとGLASTおよびAMS-02による検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R対称性が破れた状況下でも、NLSPがBBNの前に崩壊する限り、重力レプトン暗黒物質は有効に保たれるか？
• RQ2 NLSPがBBNの前に崩壊し、重力レプトンが長寿命な暗黒物質候補のまま保たれるようにするため、R対称性破れカップリングの大きさはどの程度である必要があるか？
• RQ3 自然なモデルが、$10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$ の範囲でR対称性破れパラメータを生成できるか？この範囲は、宇宙論的および実験的制約と整合的である。
• RQ4 崩壊する重力レプトン暗黒物質からの観測可能なガンマ線シグナルは何か？EGRET観測と比較するとどうなるか？
• RQ5 $c\tau \sim$ cm から m の長寿命NLSPから生じる特徴的な加速器シグナルは何か？そして、それらをどのように同定できるか？

主な発見

• R対称性破れカップリングが $\lambda \sim 10^{-14}$ の場合、NLSPの寿命は $\sim 10^3$ 秒以下に短縮され、BBNの前での崩壊が保証され、宇宙論的矛盾が解消される。
• R対称性破れカップリングが $\lambda \sim 10^{-7}$ の場合、重力レプトンの寿命は $\sim 10^{26}$ 秒となり、宇宙論的スケールで安定であり、冷たい暗黒物質候補として適している。
• B-Lゲージ対称性の破れに基づくモデルは、$10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$ の範囲で自然にR対称性破れカップリングを生成でき、宇宙論的および加速器の制約と両立する。
• 重力レプトン崩壊による予測されたガンマ線スペクトルには、局所銀河団からの鋭いライン成分と、銀河間領域からの連続成分が含まれ、$m_{3/2} = 10~{\rm GeV}$ および $\tau_{3/2} = 10^{27}~{\rm s}$ の場合、EGRETデータと整合的である。
• 加速器では、NLSP（例：右巻きストーキー）は $\lambda_{323} \sim 10^{-8}$ の場合に $\sim 30~{\rm cm}$ の崩壊長を持ち、その後に電荷を帯びたトラックに続くミューオンまたはジェットが生成され、発見が可能になる。
• ニュートラリノNLSPの場合は、崩壊長が $\sim 1~{\rm m}$ に達し、Wボソンの崩壊生成物とともにずらされた頂点を形成する。これは将来の加速器実験で特徴的なシグナルを提供する。