[論文レビュー] Less-dimensions and matter parity as the origin of Dark Matter

M. Kadastik, Kristjan Kannike+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2009

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、非超対称な $SO(10)$ における物質数の対称性 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ が、暗黒物質の存在を自然に説明すると提案している。$P_M$-奇の複素スカラー単位と不活性ダブルレットが、唯一の妥当な低エネルギー暗黒物質候補であると特定し、それらの熱的な残存密度を予測するとともに、LHCにおけるヒッグス崩壊を通じた検出可能性や、プランクスケールで抑制された崩壊によってPAMELAの異常を説明できる可能性を示している。

ABSTRACT

We extend the concept of matter parity $P_M=(-1)^{3(B-L)}$ to non-supersymmetric theories and argue that $P_M$ is the natural explanation to the existence of Dark Matter of the Universe. We show that the non-supersymmetric Dark Matter must be contained in scalar 16 representation(s) of $SO(10),$ thus the unique low energy Dark Matter candidates are $P_M$-odd complex scalar singlet(s) $S$ and inert scalar doublet(s) $H_2.$ We have calculated the thermal relic Dark Matter abundance of the model and shown that its minimal form may be testable at LHC via the SM Higgs boson decays $H_1 o DM DM.$ The PAMELA anomaly can be explained with the decays $DM o u l W$ induced via seesaw-like operator which is additionally suppressed by Planck scale. Because the SM fermions are odd under matter parity too, the DM sector is just our scalar relative.

研究の動機と目的

• 非超対称理論にまで拡張された物質数の対称性 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ を、非超対称な大統一理論モデルに適用すること。
• SO(10) 대통일理論における $P_M$ 対称性と低エネルギーの素粒子物理学的現象に整合する最小限の暗黒物質候補を同定すること。
• 提案された暗黒物質候補の熱的残存密度を計算し、LHCでの検出可能性を評価すること。
• プランクスケールで抑制された項を介した $P_M$ 違反崩壊によって、宇宙線のPAMELA異常を説明すること。
• 暗黒物質系と標準模型の間の直接的な関係を $P_M$ 対称性を通じて確立し、暗黒物質が標準模型フェルミオンのスカラー補助粒子であるとみなすこと。

提案手法

• 非超対称な $SO(10)$ 大統一理論に物質数の対称性 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ を拡張し、すべての場に $P_M$ 量子数を割り当てる。
• $SO(10)$ の16次元表現に属する、$P_M$-奇の複素スカラー単位 $S$ と不活性スカラー二重項 $H_2$ が、唯一の妥当な低エネルギー暗黒物質候補であると特定する。
• 標準的なボルツマン方程式を用いて、$s$-チャネルの消滅による暗黒物質候補の熱的残存密度を計算する。
• 標準模型ヒッグス粒子の崩壊 $H_1 \to DM\,DM$ を通じたLHCでの探索可能性を評価する。ここで $H_1$ は最も軽いヒッグス状態を表す。
• プランクスケールで抑制された項を導入し、見かけの見せかけのスケールに依存するスケールの見せかけの項を介して、$DM \to u\bar{u}W$ の崩壊を誘導し、PAMELA異常を解析する。
• 標準模型フェルミオンも $P_M$ に関して奇であることを示し、暗黒物質系と標準模型フェルミオン系との間の対称的関係を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非超対称な $SO(10}$ 大統一理論において、物質数の対称性 $P_M = (-1)^{3(B-L)}$ が自然な暗黒物質安定化対称性として機能できるか？
• RQ2 $SO(10)$ フレームワークにおける $P_M$ 対称性から生じる最小限の低エネルギー暗黒物質候補は何か？
• RQ3 これらの暗黒物質候補の予測される熱的残存密度は何か？また、宇宙論的観測と整合的か？
• RQ4 PAMELAの宇宙線陽電子過剰は、プランクスケールで抑制された項を介した $P_M$ 違反崩壊によって説明可能か？
• RQ5 このモデルにおける暗黒物質系は、$P_M$ 対称性を通じて標準模型と直接結びついているか？すなわち、暗黒物質が標準模型フェルミオンのスカラー補助粒子であるとみなせるか？

主な発見

• $P_M$ 対称性を持つ非超対称 $SO(10)$ モデルにおける唯一の妥当な低エネルギー暗黒物質候補は、$P_M$-奇の複素スカラー単位 $S$ と不活性スカラー二重項 $H_2$ である。
• 暗黒物質候補の熱的残存密度は計算可能であり、観測された暗黒物質密度と整合的であるため、このモデルは素粒子物理学的に妥当である。
• このモデルは、標準模型ヒッグス粒子が暗黒物質対に崩壊する ($H_1 \to DM\,DM$) ことを予測しており、これはLHCにおける直接探索チャンネルを提供する。
• PAMELA異常は、プランクスケールで抑制された見せかけの項を介して誘導される $P_M$ 違反崩壊 $DM \to u\bar{u}W$ によって説明可能である。
• 標準模型フェルミオンも $P_M$ に関して奇であることが示され、暗黒物質系が標準模型フェルミオン系のスカラー補助粒子であることが、同じ対称性の下で対称的であることを示唆している。
• このモデルの最小限の形態は、ヒッグスの非可視崩壊探索を通じてLHCでテスト可能であり、近い将来に否定されたり確認されたりする可能性がある。