[論文レビュー] How scalar-field dark matter may conspire to facilitate baryogenesis at the electroweak scale

Tanja Rindler-Daller, Bohua Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、複素数の超軽量ボソン場を有するスカラー場ダークマター（SFDM）が、初期宇宙における剛性の高い状態方程式を引き起こし、膨張率を増加させることを提案している。この修正された宇宙論は、sphaleronの洗浄条件を弱めるものであり、測定された125 GeVのヒッグス粒子質量にもかかわらず、強い一次相転移を可能にし、電弱スケールにおけるバリオゲネシスの有効な道筋を提供する。これは、統一されたダークマターとバリオゲネシスの枠組み内での実現可能性を示している。

ABSTRACT

The cosmic evolution of a dark matter model which behaves relativistically in the early Universe is explored. Dark matter is described as a complex scalar field, whose earliest evolution is characterized by a stiff equation of state ($p \simeq ρ$). In this phase, it is the dominant component in the Universe. We present constraints from Big Bang nucleosynthesis and primordial gravity waves from inflation. Also, we study how the associated enhanced expansion rate due to the stiff phase might facilitate a first-order electroweak symmetry breaking phase transition, in light of the recently measured value of the Higgs boson mass.

研究の動機と目的

• 電弱スケールにおけるバリオゲネシスの長年の問題に取り組むこと。これは、測定された125 GeVのヒッグス粒子質量によって妨げられている。
• 複素数の超軽量ボソン場を有するスカラー場ダークマター（SFDM）が、ダークマターとバリオン非対称性の問題を同時に解決できるかどうかを調査すること。
• SFDMの初期の剛性のある段階（p ≈ ρ）が、Hubble膨張率をどのように増加させるかを調査すること。これにより、sphaleronの凍結条件が弱まる。
• SFDMによる修正された膨張歴の下で、φ⁶項を含む標準模型に、強い一次相転移が可能かどうかを評価すること。
• ビッグバン核合成とインフレーション期の初期重力波信号を用いて、SFDMのパラメータを制約すること。

提案手法

• U(1)対称性を持つラグランジアンを用いて、スカラー場ψとしてダークマターをモデル化し、運動エネルギー項、質量項、反発的自己相互作用項を含む。
• SFDMの力学的挙動と状態方程式の進化を記述するため、L = (ħ²/2m)g^{μν}∂_μψ*∂_νψ - (1/2)mc²|ψ|² - (λ/2)|ψ|⁴ を用いる。
• 初期の剛性のある段階（p ≈ ρ）から放射に類似した段階（p ≈ ρ/3）へ、最終的には冷たいダークマター（p ≈ 0）への支配に至るまでのSFDMの宇宙的進化を追跡する。
• 電弱相転移期におけるHubble膨張率H(a)を計算し、SFDMの剛性段階のおかげで、ΛCDMに比べて3〜5桁の大きさで増加していることを示す。
• sphaleronの凍結条件v/T ≥ 1.0を評価し、SFDMによる増加した膨張率のおかげで、Tₙ ≈ 70 GeVでv/T ≥ 0.73、Tₙ ≈ 150 GeVでv/T ≥ 0.55に弱まることが示された。
• φ⁶項を含む修正されたヒッグスポテンシャルを用い、カットオフスケールΛ > 500 GeVで抑制することで一次相転移を可能にし、SFDM宇宙論下での妥当性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVのヒッグス粒子質量があるにもかかわらず、剛性のある初期段階を持つスカラー場ダークマターが、強い一次相転移を促進できるか？
• RQ2 SFDMの剛性段階による増加した膨張率は、バリオゲネシスに必要なsphaleron洗浄条件にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ビッグバン核合成と初期重力波信号は、SFDMの初期進化にどのような制約を課すか？
• RQ4 SFDMが引き起こす膨張歴と組み合わせたヒッグスポテンシャルにおけるφ⁶項の導入は、電弱スケールにおけるバリオゲネシス機構の実現可能性をどの程度高めるか？
• RQ5 SFDMのパラメータ、特に質量m ≈ 10⁻²² eV/c²と結合定数λ ≈ 10⁻⁶² eV cm³が、電弱相転移とバリオゲネシスの実現可能性に与える影響は何か？

主な発見

• スカラー場ダークマター（SFDM）の剛性段階は、電弱相転移期に標準的なΛCDM宇宙論と比較して、Hubble膨張率を3〜5桁増加させる。
• この増加した膨張率は、sphaleronの凍結条件を弱め、必要なv/T比を1.0以上からTₙ ≈ 70 GeVで0.73以上、Tₙ ≈ 150 GeVで0.55以上に低下させる。
• SFDMの初期進化が適切に調整されていれば、ビッグバン核合成と初期重力波の制約と両立される。
• カットオフスケールΛ ≳ 500 GeVのφ⁶項を含むヒッグスポテンシャルは一次相転移を可能にし、SFDMによる増加した膨張率の下では、その実現可能性がさらに高まる。
• m ≈ 10⁻²² eV/c²およびλ ≈ 10⁻⁶² eV cm³のSFDMは、大スケールでは冷たいダークマターの挙動を再現し、de Broglie波長または自己相互作用圧力によって小スケール構造形成を抑制する。
• 電弱相転移の臨界温度と核化温度は、修正された膨張歴に対してほとんど感度を示さないが、洗浄が弱まるため、相転移の有効な強度は顕著に増加する。