[論文レビュー] Neutralinos and Big Bang Nucleosynthesis

Karsten Jedamzik|arXiv (Cornell University)|May 28, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、ビッグバン核合成（BBN）期におけるダークマター中性ノイの残留アンニヒレーションがリチウム-6を生成する可能性を調査し、低金属量星における観測されたLi6豊度を用いてアンニヒレーション率を制約する。特定の中性ノイモデル、特に250 GeV未満のウィノやクォークへとアンニヒレーションする軽い中性ノイは、Li6の過剰生成のため排除され、非熱的ダークマターのシナリオが宇宙線の異常を説明しようとするのを挑戦する。

ABSTRACT

The synthesis of Li6 during the epoch of Big Bang nucleosynthesis (BBN) due to residual annihilation of dark matter neutralinos is considered. By comparing the predicted Li6 to observations of this isotope in low-metallicity stars, constraints on s-wave neutralino annihilation rates into quarks, gauge bosons, and Higgs bosons may be derived. It may be shown that, for example, wino dark matter in anomaly-mediated SUSY breaking scenarios with masses M < 250 GeV or light neutralinos with M < 20 GeV annihilating into light quarks are, taken face value, ruled out. In general, scenarios invoking non-thermally generated neutralinos with enhanced annihilation rates for a putative explanation of cosmic ray positron or galactic center as well as diffuse background gamma-ray signals by present-day neutralino annihilation will have to face a stringent Li6 overproduction problem. On the other hand, it is possible that Li6 as observed in low-metallicity stars is entirely due to residual neutralino annihilation during BBN, even for neutralinos undergoing a standard thermal freeze-out.

研究の動機と目的

• ビッグバン核合成期における残留中性ノイアンニヒレーションがリチウム-6に与える影響を評価すること。
• 観測されたLi6豊度を用いて、s波中性ノイアンニヒレーション断面積（クォーク、ゲージボソン、ヒッグスボソンへ）を導出すること。
• 宇宙線陽電子およびガンマ線信号を説明しつつ、Li6の過剰生成を避ける非熱的に生成された中性ノイの妥当性を検証すること。
• 低金属量星における観測されたLi6が、すべて残留中性ノイアンニヒレーションに起因している可能性を評価すること。
• 標準的熱的凍結アウト中性ノイシナリオがLi6観測と整合するかどうかを特定すること。

提案手法

• クォーク、ゲージボソン、ヒッグスボソンへとs波アンニヒレーションするダークマター中性ノイの生成を、BBN期にモデル化する。
• 金属貧乏星における観測Li6豊度を、中性ノイアンニヒレーション断面積の制約に用いる。
• 中性ノイアンニヒレーションに起因する追加の源項を含めた標準的BBNネットワーク計算を用いて、Li6生成量を計算する。
• 予測Li6生成量を低金属量ハロー星からの観測データと比較し、アンニヒレーション率の上限を設定する。
• 特にアンニヒレーション率が増幅された非熱的中性ノイ生成シナリオがLi6合成に与える影響を評価する。
• 残留アンニヒレーションを仮定した場合、熱的凍結アウト中性ノイシナリオがLi6観測と整合するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 残留中性ノイアンニヒレーションが、低金属量星における観測Li6豊度のどの程度を説明できるか？
• RQ2 Li6観測によって最も強く制約される中性ノイアンニヒレーションチャネル（クォーク、ゲージボソン、ヒッグスボソン）はどれか？
• RQ3 250 GeV未満のウィノ的中性ノイがs波過程でアンニヒレーションする場合、Li6観測と整合するか？
• RQ4 現在の宇宙線陽電子およびガンマ線信号を説明するために提案された非熱的に生成された中性ノイは、BBN期にLi6を過剰に生成しないか？
• RQ5 低金属量星における観測Li6が、標準的熱的凍結アウトシナリオ下でも、すべて残留中性ノイアンニヒレーションに起因している可能性はあるか？

主な発見

• 250 GeV未満のウィノダークマターは、s波アンニヒレーションに起因する過剰なLi6生成のため、異常媒光SUSY破れのシナリオで除外される。
• 20 GeV未満の質量を持つ軽い中性ノイで、軽いクォークへとアンニヒレーションするものは、Li6過剰生成の制約により除外される。
• 現在のアンニヒレーション率が増幅された非熱的に生成された中性ノイは、宇宙線陽電子およびガンマ線信号を説明するために提案されているが、BBN期にLi6を過剰に生成するため、強く否定される。
• 標準的熱的凍結アウト中性ノイシナリオは、Li6を過剰に生成しないため、依然として妥当性を保つ。
• 標準的熱的凍結アウト条件下でも、低金属量星における観測Li6豊度のすべてが、BBN期の残留中性ノイアンニヒレーションに起因している可能性がある。
• Li6制約は、初期宇宙におけるダークマターアンニヒレーション断面積を厳密にかつモデルに依存しない形で探査する強力なプローブを提供する。