[論文レビュー] New Old Mechanism of Dark Matter Burning

A. D. Dolgov|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、質量が大きく弱い力で相互作用する暗黒物質粒子（θ粒子）の残存密度を抑制するメカニズムとして、三体散漫過程 $2\theta \rightarrow 3\theta$ を同定している。これは、宇宙論的過剰生成問題を解決するものであり、1980年に提案されたが、標準的二体散漫と比較してはるかに非効率な $1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$ のスケーリングを示し、最近の『補助的散漫』モデルの再発見よりも前もって提唱されていた。

ABSTRACT

Recently several papers have been published, where "a new mechanism" of dark matter burning and freezing is suggested. The usual two-body annihilation process is generalized to multi-body initial states, mostly three-body. These processes have quite a few interesting cosmological implications. I want to indicate here that such a process was studied in 1980 to determine the cosmological number density of the so called theta-particles. The file of the translated into English original paper and the reference to the published English version are attached.

研究の動機と目的

• 質量が大きく、弱い力で相互作用する暗黒物質粒子（θ粒子）が大きな閉じ込め半径を有する場合の宇宙論的過剰生成問題を解消すること。
• 三体散漫過程が、こうした粒子の残存密度を効果的に抑制できることを示すこと。
• $2\theta \to 3\theta$ 散漫による残存密度が $1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$ に比例することを確立し、二体散漫の $1/m_{\text{Pl}}$ とは異なるスケーリングであることを示すこと。
• このメカニズムが1980年に最初に提唱されたこと、最近の文献における再発見よりも前もって存在していたことを強調すること。
• 多体系過程を通じて、軽量で質量があり、弱く結合する暗黒物質候補の妥当性を理論的に裏づけること。

提案手法

• 放射支配の初期宇宙における運動論的理論を用いて、θ粒子の残存数密度を導出する。
• $2\theta \rightarrow 3\theta$ の三体散漫過程を主要な凍結放出チャネルとして分析する。
• ボルツマン方程式を適用し、凍結放出温度と最終的な残存密度を計算する。
• $2\theta \to 3\theta$ の残存密度スケーリングを標準的 $2\to 2$ 散漫と比較し、$r_f^{(3\to2)} \sim 1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$ を示す。
• 運動的脱結合の条件を用いて、凍結放出温度と最終的数密度を決定する。
• モデルパラメータ、特に閉じ込めスケール $\Lambda_\theta$ と質量 $m_\theta$ に対する宇宙論的制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三体散漫過程が、質量が大きく弱い力で相互作用する暗黒物質粒子の残存密度を十分に抑制できるか。
• RQ2 $2\theta \to 3\theta$ 散漫による残存密度が、プランク質量と比較してどのようにスケーリングするか。
• RQ3 $2\theta \to 3\theta$ 过程に基づくθ粒子の質量と閉じ込めスケールに対する宇宙論的制約は何か。
• RQ4 $2\theta \to 3\theta$ 过程が $2\to 2$ 过程よりも非効率な凍結放出を引き起こす理由は何か。
• RQ5 このメカニズムが、最近の『補助的散漫』モデルの再発見を事前に予見・説明できる程度に前もって存在していたか。

主な発見

• $2\theta \to 3\theta$ 散漫による残存密度は $1/\sqrt{m_{\text{Pl}}}$ に比例するため、$2\to 2$ 散漫の $1/m_{\text{Pl}}$ と比較して、密度抑制の効率が著しく低い。
• $2\theta \to 3\theta$ 过程は、θ粒子の残存密度を宇宙論的に許容可能な水準まで抑制する有効なメカニズムを提供する。
• すべてのθフェルミオン質量が同程度であると仮定した場合、安定性と観測的制約に基づき、$\Lambda_\theta < 3$ MeV であると予測される。
• トニウム（$\theta\theta$ 結合状態）の寿命は、宇宙マイクロ波背景放射の観測と矛盾を避けるために $10^{17}$ 秒を超える必要がある。
• 電荷が非常に小さいミリチャージド粒子では、$X\bar{X} \to 2\gamma$ は劣勢であるが、電子を介した $X\bar{X}e \to e\gamma$ によって促進される。
• このメカニズムは1980年にドルゴフとオクンによって最初に提唱されており、最近の『補助的散漫』の文脈での再発見よりも前もって存在していた。