[論文レビュー] Leptonic Indirect Detection Signals from Strongly Interacting Asymmetric Dark Matter

Yi Cai, David E. Kaplan+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、標準模型のB-L非対称性が次元5のオペレーターを通じて暗黒セクターに移行され、暗黒物質粒子と反粒子の非対称性が生成される、強い相互作用を示す非対称なTeVスケールの暗黒物質モデルを提案する。小さなメジャナ型質量項を通じて、暗黒物質と反物質の間の振動が生じ、銀河ハロー内での後期の消失反応が可能となり、強く相互作用する暗黒セクターの媒介粒子を介してレプトンへと消失する。この反応は、PAMELA、FERMI、HESSの観測データと整合する宇宙線電子・陽電子過剰を生じさせ、断面積は約1 nb、暗黒物質の質量は2 TeV前後となる。

ABSTRACT

Particles with TeV mass and strong self-interactions generically have the right annihilation cross section to explain an observed excess of cosmic electrons and positrons if the end-product of the annihilation is charged leptons. We present an explicit model of strongly-coupled TeV-scale dark matter whose relic abundance related to the matter-antimatter asymmetry of the observed universe. The B - L asymmetry of the standard model is transfered to the dark sector by an operator carrying standard model lepton number. Lepton number violation naturally induces dark matter particle-antiparticle oscillations at late times, allowing dark matter-antimatter annihilations today. The dark matter annihilates into lighter strongly-interacting particles in the dark sector that decay to leptons via the transfer operator. The strong dynamics in the dark sector is at the weak scale due to supersymmetry breaking. The correct dark matter abundance is automatically obtained for natural values of dimensionless parameters, analogous to the situation for conventional WIMPs.

研究の動機と目的

• 天体的起源を仮定せずに、高エネルギー宇宙線電子・陽電子の過剰を説明すること。
• 観測データが要求する大きな消失断面積（約1 nb）とTeVスケールの暗黒物質質量を両立させること。
• 粒子と反粒子の振動を通じて、自然なメカニズムによって暗黒物質の非対称性と後期の消失反応を提供すること。
• 超対称性を介して、暗黒セクターの強い力学と電弱対称性の自発的破れを結びつけること。

提案手法

• 標準模型のB-L非対称性を、保存されるU(1)_X荷を持つ暗黒セクターに結合する次元5のオペレーターを導入する。
• 暗黒セクターがTeVスケールで強い結合を示すコンフォーマル理論であると仮定し、TeVスケールに複合状態（バリオン、パイオン）を持つこととする。
• 小さなメジャナ型質量項を用いて、暗黒物質と反物質の間の振動を誘発し、銀河ハロー内での消失反応を可能にする。
• SUSYの破れ質量が暗黒セクターにおけるコンフォーラル対称性の破れを引き起こす超対称的フレームワークを実装する。
• 1ループ図を介して有効相互作用を導出し、暗黒セクターのメソンが電荷を帯びたレプトンへと崩壊するメカニズムを確立する。
• 冷凍温度とボルツマン抑制を用いてリリック密度を計算し、M ~ 2 TeVの条件下で整合性があることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い相互作用を示す非対称な暗黒物質モデルは、観測された宇宙線電子・陽電子過剰を生成できるか？
• RQ2 微調整を必要とせず、TeVスケールで自然に大きな消失断面積（約1 nb）が生じるメカニズムは何か？
• RQ3 反粒子が存在しない非対称な暗黒物質モデルにおいて、後期の消失反応を可能にするメカニズムは何か？
• RQ4 暗黒セクターの強い力学は、どのように電弱対称性の自発的破れに関連づけられるか？
• RQ5 このようなモデルのコライダーおよび間接検出のシグナルは何か？

主な発見

• モデルは、暗黒物質質量が約2 TeVの条件下で、正しいリリック密度を達成しており、冷凍温度はT_f ≈ M/7.6となる。
• 強い相互作用を示す暗黒セクターにおけるs波増幅のおかげで、低速度領域での消失断面積が自然に約1 nbとなる。
• 小さなメジャナ型質量項によって引き起こされる暗黒物質と反物質の振動が、初期の非対称性にもかかわらず、後期の消失反応を可能にする。
• 軽い暗黒セクターのメソンが電荷を帯びたレプトンへと崩壊するのは1ループ図を通じて実現され、κ ≥ 10⁻⁴ GeVの条件下で、崩壊長は1 kpc未満となる。
• モデルは、PAMELA、FERMI、HESSの観測結果と整合する高エネルギー荷電レプトンの検出可能フラックスを予測する。
• 弱い結合と大きな暗黒物質質量のため、直接検出信号は期待されず、コライダー信号も抑制されるが、LSPの崩壊を介して観測可能である可能性がある。