[論文レビュー] Hidden Hot Dark Matter as Cold Dark Matter

Kris Sigurdson|ArXiv.org|Dec 14, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、相対論的状態で熱的に分離し、標準模型と熱平衡に達しない隠れたセクターのダークマターが、そのセクター内では高温であるが、標準模型との間で温度比が抑制されていることにより、低温ダークマターとして機能しうることを提唱する。非平衡的な熱的歴史のおかげで、標準的な高温ダークマターの制約を回避でき、物質パワー スペクトルや追加の弱い崩壊による痕跡を残す可能性がある。

ABSTRACT

We show that hidden hot dark matter, hidden-sector dark matter with interactions that decouple when it is relativistic, is a viable dark matter candidate provided it has never been in thermal equilibrium with the particles of the standard model. This hidden hot dark matter may reheat to a lower temperature and number density than the visible Universe and thus account, simply with its thermal abundance, for all the dark matter in the Universe while evading the typical constraints on hot dark matter arising from structure formation. We find masses ranging from ~3 keV to ~10 TeV. While never in equilibrium with the standard model, this class of models may have unique observational signatures in the matter power spectrum or via extra-weak interactions with standard model particles.

研究の動機と目的

• 相対論的状態で分離する隠れたセクターのダークマターが、自らのセクター内で高温であるにもかかわらず、依然として妥当な低温ダークマター候補として機能しうるかを検討すること。
• 標準的な高温ダークマターの制約と、相対論的ダークマターの残滓の妥当性との間にある矛盾を解消すること。
• このようなダークマターが、非熱的生成や強い相互作用を必要とせず、熱的生成による密度のみで観測されたダークマター密度を達成できることを示すこと。
• 物質パワー スペクトルや標準模型粒子との追加の弱い相互作用を通じた、観測可能な痕跡を同定すること。

提案手法

• 論文は、相対論的状態で分離する隠れたセクターのフェルミオン χ をモデル化し、その温度比 ξf = Tχf / Tf がその残滓密度を決定すると仮定する。
• 相対論的粒子の熱的数密度を用いて残滓密度を導出し、質量 mχ と ξf を、エントロピーの自由度 gₛf と gₛ0 を介して関係付ける。
• 現在のダークマターは非相対論的と仮定し、ρχ0 = mχ nχf (a₀/a_f)⁻³ の関係を用いて、Ωdh² ≈ 0.11 を達成するための必要な質量を計算する。
• 隠れたセクターと標準模型との間の追加の弱い相互作用を、有効な4フェルミオン頂点を介して分析し、標準模型→隠れたセクター過程による χ の過剰生成を避けるために結合定数を制約する。
• χ 粒子が標準模型状態に崩壊する割合を評価し、妥当な結合定数の下で、宇宙の年齢よりも長い寿命が得られることを推定する。
• U(1)ゲージ対称性を用いた最小モデルを構築し、質量のあるベクトルボソンまたは4フェルミオン相互作用（弱い相互作用に類似）を用いて、この状況を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対論的状態で分離する隠れたセクターのダークマター粒子が、自らのフレームでは高温であるにもかかわらず、依然として低温ダークマターとして機能しうるか？
• RQ2 このような隠れた高温ダークマターが、構造形成の制約に違反しない範囲で、観測された Ωdh² ≈ 0.11 を再現できる質量範囲は何か？
• RQ3 隠れたセクターと可視セクターとの間の追加の弱い相互作用が、残滓密度と観測可能な痕跡に与える影響は何か？
• RQ4 隠れたセクターの相互作用の結合定数が、ダークマターの過剰生成を避けるために受ける制約は何か？
• RQ5 このようなモデルが、物質パワー スペクトルに検出可能な特徴を残すか、または長寿命なダークマターの崩壊を通じて観測可能な印を残すか？

主な発見

• 隠れた高温ダークマターは、温度比に依存して、質量が約 3 keV から 10 TeV の範囲で、宇宙のすべてのダークマターを説明できる。
• 必要な質量は、相対論的粒子の熱的生成に起因し、温度比 ξf の立方に反比例する。mχ ∝ ξf⁻³ と表される。
• 自由行程が抑制されているため、標準的な高温ダークマターと比較して質量下限が緩和され、mχ ≃ 3 keV が妥当である。
• 標準模型との追加の弱い相互作用は、1%の過剰生成を避けるために、結合定数 FImI³ᐟ² < ∼2.6 × 10⁻¹⁰ TeV⁻¹ᐟ² に制限される。
• χ 粒子が標準模型状態に崩壊する可能性があり、mχ ∼ 10 keV および結合定数 λ ∼ 10⁻⁵ の下で、10⁴ Gyr よりも長い寿命が得られ、観測可能なエネルギースペクトルを生成する可能性がある。
• モデルは、物質パワー スペクトルに検出可能な特徴を残すことができ、特に軽い隠れたセクター粒子 ψ がダークマターに寄与し、自由行程が長い場合に顕著である。