[論文レビュー] More is Different: Non-Minimal Dark Sectors and their Implications for Particle Physics, Astrophysics, and Cosmology -- 13 Take-Away Lessons for Snowmass 2021

Keith R. Dienes, Brooks Thomas|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、質量、寿命、豊度が異なる多数のダークマター状態を含む非最小的ダークセクターが、動的ダークマター、静止期、および新しいコライダーおよび天体物理学的シグネチャを含む予期せぬ集団的現象を生じうることを提案している。Dynamical Dark Matter（DDM）フレームワークをモデルとして用い、これらの系が標準的WIMPやアクシオンの枠組みを越えて、自然に宇宙論的制約を満たしつつ、新たな物性現象を実現できることを示している。

ABSTRACT

The phrase "more is different" is often used to refer to the new, unexpected collective phenomena that can arise when the number of states in a given system is large. In this contribution to the Snowmass 2021 Study, we describe 13 unexpected collective phenomena that can arise when the dark sector contains a large number of states, contrary to the usual assumptions. These 13 take-away lessons stretch across all of the domains of relevance for dark-matter physics, including collider signatures, direct-detection signatures, indirect-detection signatures, new perspectives on dark-matter complementarity, and even unexpected astrophysical and cosmological phenomena that transcend those normally associated with single-component dark-matter scenarios. These lessons -- and the phenomena on which they are based -- thereby illustrate the need to maintain a broad perspective when contemplating the possible signatures and theoretical possibilities associated with non-minimal dark sectors.

研究の動機と目的

• 1つのまたは数個の安定ダークマター状態しか持たない最小的ダークセクターの仮定を挑戦すること。
• 多数のダークセクター状態の集合が、単一成分モデルでは捉えきれない集団的・顕在的現象を生じる仕組みを調査すること。
• 非最小的ダークセクターから生じる新しい理論的および物性的可能性を特定・体系化すること、特にDDMフレームワーク内での応用を対象とすること。
• 直接的・間接的・コライダー探索における見過ごされたシグネチャを強調することで、今後の実験的および観測的戦略を導くこと。
• 不安定性と複雑性を内包するダークセクターの文脈において、より広範な理論的視点をダークマターモデル構築に提唱すること。

提案手法

• ダークセクターに多様な質量と崩壊幅を持つ多数の状態を含む、Dynamical Dark Matter（DDM）フレームワークを理論的例示として採用すること。
• ダークセクターを階層的な崩壊幅を持つ状態のタワーとしてモデル化し、わずかな豊度の状態のみが顕著に崩壊するように保証することで、宇宙論的制約を満たすようにすること。
• このような系の宇宙論的進化を分析し、熱的凍結アウト、ミスアライメント生成、非単調な豊度分布を含む。
• 系内での崩壊が宇宙膨張をバランスさせ、任意に多くのeフォールドにわたる長期間の静止期（stasis epoch）を生じさせることを示す。
• 延長された崩壊チェーンと非最小的メディエーター相互作用を通じてコライダーのシグネチャを調査し、新しい運動量分布と長寿命粒子の信号を予測すること。
• 直接的および間接的検出シグネチャを検討し、多成分ダークマターによる集団的挙動に起因する共鳴的増幅や非伝統的位相空間分布を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多数のダークセクター状態の集合が、最小的ダークマターモデルに存在しない集団的現象をどのように生じさせるか？
• RQ2 多数の崩壊する状態を持つダークセクターが、宇宙膨張歴および再加熱に与える宇宙論的影響は何か？
• RQ3 非最小的ダークセクターは、運動量の端点や崩壊チェーンといったコライダーのシグネチャをどのように変更するか？
• RQ4 多成分で不安定なダークセクターの文脈において、ダークマターの補完性（complementarity）を再定義できるか？
• RQ5 スタシスエポックのような、大規模なダークセクターの集団的ダイナミクスから生じる新しい天体物理学的および宇宙論的現象は何か？

主な発見

• DDMフレームワークにより、多様な質量と寿命を持つ多数のダークマター状態を扱えるが、わずかな豊度の状態のみが顕著に崩壊し、BBN、CMB、光子背景の制約を自然に満たすことができる。
• 熱的凍結アウトやミスアライメント生成の過程で、非単調的かつ共鳴的豊度分布が出現し、予期せぬダークマター生成メカニズムが生じる。
• 系内崩壊が宇宙膨張をバランスさせ、全物質および放射の豊度が任意に多くのeフォールドにわたって一定に保たれる長期間のスタシスエポックを生じさせうる。
• このようなスタシス状態は微調整されていないが、系の動的進化におけるグローバルアトラクターであるため、頑健性が高く、宇宙論的関連性を有する可能性がある。
• 長寿命メディエーターによる延長された崩壊チェーンや非標準的運動量分布を伴う新しいコライダーのシグネチャが生じ、専用のLLP実験で検出可能である。
• 直接的および間接的検出実験では、多成分ダークセクターの集団的挙動に起因する共鳴的増幅や非熱的位相空間分布が観測される可能性がある。