[論文レビュー] Implications of mixed axion/neutralino dark matter for the Cosmic Frontier: a Snowmass whitepaper

Kyu Jung Bae, Howard Baer+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

このスノーマス・ホワイトペーパーは、超対称性（SUSY）とPeccei-Quinn（PQ）対称性を統合するモデルにおける混合したアクチオン／ニュートラリノのダークマターを調査し、両粒子がダークマターの残滓として共存することを示している。熱的および非熱的生成メカニズムによるアクチオン、アクチノ、サキシオン、ニュートラリノの生成が、初期宇宙の宇宙論的状態を変化させることを示し、アクチオンおよびニュートラリノの密度が要因ξ < 1で再スケーリングされる必要があることが判明した。この再スケーリングは、宇宙のフロンティアにおける直接的および間接的検出予測に顕著な影響を与える。

ABSTRACT

If one simultaneously invokes the SUSY solution to the gauge hierarchy problem and the PQ solution to the strong CP problem, then one might expect mixed axion/neutralino dark matter (DM), i.e. two dark matter particles. In this case, dark matter production involves oscillation production of axions, thermal and non-thermal neutralino production and thermal and non-thermal production of axinos and saxions. The latter particles may feed additional neutralinos into the cosmic soup, or dilute all relics via additional entropy production, or feed dark radiation into the cosmos. Depending on the SUSY and PQ model, the PQ scale can easily exist from 10^9-10^{16} GeV. Axions may lie well beyond the range currently being probed by experiment. In the case of relic WIMPs, theoretical predictions must be rescaled for the possibility that WIMPs only comprise a fraction of the local DM abundance.

研究の動機と目的

• SUSYとPQ対称性を同時に導入した場合の、混合アクチオン／ニュートラリノのダークマターが及ぼす宇宙論的影響を調査すること。
• アクチオン、アクチノ、サキシオン、ニュートラリノの熱的および非熱的生成が、ビッグバン核合成（BBN）以前の宇宙論的状態と残滓密度に与える影響を分析すること。
• ニュートラリノが全ダークマター密度の一部にしか寄与しないという事実を考慮して、直接的および間接的WIMP検出限界を再キャリブレーションすること。
• アクチオン生成が抑制されるがサキシオンの崩壊がダークマター残滓を増幅または希釈する可能性がある高スケールPQモデル（fa ~ 10^16 GeV）の妥当性を評価すること。
• 混合ダークマター状況下でのアクチオンおよびWIMP検出実験の理論的予測を更新すること。

提案手法

• 重力媒介SUSY破れを仮定した初期宇宙のモデル化において、サキシオンおよびアクチノは再熱温度TRとPQスケールfaに依存する生成率で熱的に生成される。
• サキシオンおよびアクチノのコherent振動（CO）と熱的生成（TP）の生成率を用い、COは高fa（~10^13–10^16 GeV）で支配的となる。
• アクチオン質量式ma ≈ 6.2 μeV × (10^12 GeV/fa)と、CO生成アクチオンの残滓密度式Ωah² ≈ 0.18θ²(fa/10^12 GeV)^1.19(ΛQCD/400 MeV)を適用する。
• ニュートラリノの残滓密度は熱的凍結アウトによって導出し、σv ∼ 3×10^{-27} cm³/sとし、ニュートラリノが劣勢である場合にはΩχh² / 0.12で予測値をスケーリングする要因ξを用いる。
• アクチノおよびサキシオンの崩壊を評価：標準模型（SM）粒子へ（エントロピー希釈）、アクチオンへ（ダーク放射）、SUSY粒子へ（ニュートラリノの増幅）の崩壊。
• 直接的および間接的WIMP検出断面積にそれぞれ要因ξおよびξ²を適用し、ダークマターの部分的構成を反映させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アクチオンとニュートラリノの共存が、ビッグバン核合成（BBN）以前の初期宇宙の宇宙論的状態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 混合アクチオン／ニュートラリノのダークマターがWIMPの残滓密度に与える影響は何か？また、検出限界はどのように再スケーリングすべきか？
• RQ3 サキシオンおよびアクチノの崩壊が最終的なダークマター密度とダーク放射制約に与える影響は何か？
• RQ4 SUSY-PQモデルにおいて、アクチオン優勢またはニュートラリノ優勢のダークマターを実現するためのPQスケール（fa）の範囲は何か？
• RQ5 混合ダークマター状況が、進行中および将来のアクチオンおよびWIMP検出実験の解釈にどのように影響を与えるか？

主な発見

• SUSY-PQモデルでは、ニュートラリノの残滓密度が要因ξ = Ωχh² / 0.12で減少し、直接検出断面積がξで再スケーリングされる必要がある。
• mχ ~ 100 GeVのヒッグスノのWIMPでは、スピン非依存断面積はσ^SI(χp) ~ 5×10^{-9} pbであるが、これはXe-100の限界と整合するまでにξ ~ 0.07–0.10の再スケーリングが必要である。
• SUSY KSVZモデルでは、アクチノおよびサキシオンの生成率はY~TP ~ 10^{-5} × (fa/10^12 GeV)^2 × (TR/10^8 GeV)に比例し、高faではCOが支配的である。
• fa ~ 10^13–10^16 GeVではCO生成サキシオンが支配的となり、その崩壊はニュートラリノ密度を増幅するか、すべての残滓を希釈するか、崩壊分岐比に依存する。
• アクチオン検出実験（例：ADMX）は、アクチオン分率が劣勢である場合、真のアクチオン密度を逃す可能性がある。特に、misalignment角θiが小さい高fa領域で顕著である。
• γ線や反物質へのWIMPの対消滅による間接検出では、理論的フラックスにξ²の再スケーリングが必要である。なぜなら、ダークマターの一部しかWIMPでないからである。