[論文レビュー] Neutralino Relic Density Enhancement in Non-Standard Cosmologies

Stefano Profumo, Piero Ullio|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、クイントェッセンススカラー場や初期宇宙の非等方性を含む非標準的宇宙論が、ニュートラリノの熱的残渣密度を最大6桁まで増大させることを示している。これにより、大規模な散乱断面積を持つ超対称モデルが観測された寒冷黒色物質密度を説明可能になるとともに、強く観測可能な間接的検出信号を予測可能となる。

ABSTRACT

The thermal relic abundance of species critically depends on the assumed underlying cosmological model. In the case of neutralinos, freeze-out takes place long before Big Bang Nucleosynthesis, which provides the strongest constraint on the evolution of the Hubble parameter in the Early Universe. We show that non-standard cosmologies, such as models featuring a quintessential scalar field or primordial anisotropies, can lead to large enhancements in the neutralino relic abundance, up to six orders of magnitudes. Within these scenarios, supersymmetric models with large neutralino annihilation cross sections may account for the whole inferred amount of cold dark matter, yielding on the other hand large indirect detection rates.

研究の動機と目的

• 非標準的宇宙論モデルがニュートラリノの熱的残渣密度に与える影響を調査すること。
• 宇宙論的増幅が、大規模な散乱断面積を持つ超対称モデルが観測された寒冷黒色物質密度と整合するのを可能にするかを特定すること。
• 標準的残渣密度計算が失敗する状況における間接的黒色物質検出への影響を評価すること。
• ダイナミカルスカラー場（クイントェッセンス）および初期宇宙の非等方性が、ニュートラリノの凍結時のHubble膨張レートをどのように変化させるかを明らかにすること。
• ビッグバン核合成（BBN）制約のもとで、ニュートラリノの残渣密度が最大どれほど増大可能かを定量すること。

提案手法

• 共動数密度の時間発展を記述するボルツマン方程式を用い、有効な散乱レートとHubble膨張レートを組み込む。
• 追加のエネルギー成分（指数型ポテンシャル $ V(\theta) = M_{\text{Pl}}^4 \exp(-\lambda \theta / M_{\text{Pl}}) $ を持つクイントェッセンススカラー場など）を含むようにFriedmann方程式を修正する。
• 凍結温度におけるパラメータ $ \xi_X = \rho_X / \rho_r $ を導入し、非標準的成分の相対的エネルギー密度を定量化する。
• mAMSB（最小異常媒介超対称破れ）モデルを用いて、さまざまなニュートラリノ質量および $ \xi_\phi $ 値における残渣密度増幅を分析する。
• スカラータンスレータ理論やBianchi-I非等方的モデルなどの代替的宇宙論を検討し、凍結時にシアーエネルギー密度 $ \rho_s \sim a^{-6} $ が支配的になる場合を想定する。
• 結果を標準的 $ \Lambda $CDMモデルと比較し、WMAPが推奨する $ \Omega_{\chi}h^2 \approx 0.11 $ 範囲をベンチマークとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クイントェッセンス場を含むような非標準的宇宙論が、標準的 $ \Lambda $CDM予測を上回ってどれほどニュートラリノの残渣密度を増大可能か？
• RQ2 ビッグバン核合成制約のもとで、最大どれほどニュートラリノの残渣密度が増大可能か？
• RQ3 初期宇宙の非等方性やシアー支配的宇宙論が、凍結ダイナミクスおよび最終的なニュートラリノ残渣密度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 大規模なニュートラリノ散乱断面積を持つ超対称モデルが、非標準的宇宙論のもとでも観測された寒冷黒色物質密度を達成可能か？
• RQ5 残渣密度が宇宙論的メカニズムによって増大する状況において、間接的黒色物質検出にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 特にクイントェッセンススカラー場を含む非標準的宇宙論は、ニュートラリノの残渣密度を最大6桁（$ \Delta\Omega \sim 10^6 $）まで増大可能である。
• mAMSBモデルにおいて、残渣密度の増幅は $ \sqrt{\xi} $ に比例し、ウィノ型ニュートラリノが広い質量範囲でWMAP観測の $ \Omega_{\chi}h^2 $ 範囲を満たすことができる。
• BBN制約のもとで達成可能な最大増幅は $ \Delta\Omega \sim 10^6 $ であり、クイントェッセンスモデルにおいて特定の $ \lambda $ および $ H_i $ 値で達成される。
• 非等方的宇宙論（例：Bianchi-I）では、シアーエネルギー密度 $ \rho_s \sim a^{-6} $ が凍結時に支配的となり、$ \xi $ で定量化される顕著な残渣密度増幅が生じる。
• 標準的 $ \Lambda $CDMモデルで低残渣密度となる（特にウィノ型・ヒッグス型ニュートラリノ）モデルが、非標準的宇宙論では正しい $ \Omega_{\chi}h^2 $ を達成可能となり、強く観測可能な間接的検出信号を予測可能となる。
• 本研究は、間接的検出率が $ \langle\sigma_{\text{eff}}v\rangle $ に線形に比例することを示しており、残渣密度の増幅により、大散乱断面積モデルが依然として妥当であり、観測可能な信号を予測可能となる。