[論文レビュー] New symmetries in microphysics, new stable forms of matter around us

Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、素粒子物理学における新しい対称性が、安定で電荷を帯びた重いレプトンおよびクォークが複合暗黒物質を形成し、目に見えない原子に隠れる可能性があると提案する。特に、初期宇宙における陽子の生成と同様に、原始ヘリウムが負に帯電した重い粒子を効果的に捕らえる鍵となる。また、宇宙線および加速器実験によるこれらの粒子の探索が、こうしたモデルの重要な検証手段であると主張する。

ABSTRACT

Extension of particle symmetry implies new conserved charges and the lightest particles, possessing such charges, should be stable. Created in early Universe, stable charged heavy leptons and quarks can exist and, hidden in elusive atoms bound by Coulomb attraction, can play the role of dark matter. The problem of this scenario is that in the expanding Universe it is not possible to recombine all the charged particles into elusive "atoms", and positively charged particles, which escape such recombination, bind with electrons in atoms of anomalous isotopes with pregalactic abundance, generally exceeding terrestrial upper limits. Realistic scenarios of composite dark matter, avoiding this problem of anomalous isotope over-production, inevitably predict the existence of primordial "atoms", in which primordial helium traps all the free negatively charged heavy constituents with charge -2. Study of the possibility for such primordial heavy alpha-particle with compensated charge to exist as well as the search for the stable charged constituents in cosmic rays and accelerators provide crucial test for the new forms of stable matter.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える安定で電荷を帯びた重い粒子を含む複合暗黒物質モデルの宇宙論的妥当性を調査すること。
• 安定で電荷を帯びた成分を含むモデルにおいて、異常な同位体の過剰生成問題を解消するためのメカニズムを同定すること。
• 原始ヘリウムが負に帯電した重い粒子を捕らえ、安定で中性な「重い原子」を形成することで、検出不能な状態に保つ可能性を提案すること。
• これらの重い原子の破壊によって生じる自由なアニュチウムやA^{--}粒子のような観測可能なシグナルを同定すること。
• 大型ハダロン衝突型加速器（LHC）のATLAS実験など、加速器実験によるこうしたモデルの決定的検証を提供すること。

提案手法

• SU(3)c × SU(2) × SU(2)′ × U(1) などの新しいゲージ対称性を導入することで、標準模型を拡張し、テラクォークやテラレプトンなどの安定で電荷を帯びた重いフェルミオンを導入する。
• B−LとB′−L′の差分であるF = (B−L) − (B′−L′) の保存則を適用し、重い粒子の安定性を保証するとともに、軽いフェルミオンとの混合を防ぐ。
• 重い電荷を帯びた成分同士のクーロン的相互作用を用いて、(UUUEE)「テラヘリウム」原子やAC原子のような束縛状態の形成をモデル化する。
• 異常同位体の豊度、特に電荷非対称な状況における、原始核合成および再結合のダイナミクスを分析する。
• 銀河間空間におけるこれらの重い原子の生存可能性と検出可能性を評価し、特に銀河宇宙線による破壊に注目する。
• 宇宙線のスパラレーションモデルを用いて、重い原子における自由な成分（例：[アニュチウム−N̄] または A^{--}）のフラックスを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡張された対称性に起因する安定で電荷を帯びた重い粒子が、異常同位体の過剰生成を引き起こさずに、長寿命な複合暗黒物質を形成できるか？
• RQ2 原始ヘリウムは、初期宇宙における負に帯電した重い成分の安定化と隠蔽に果たす役割は何か？
• RQ3 宇宙線の相互作用によって、隠れた安定で電荷を帯びた粒子の存在が、自由なアニュチウムやA^{--}成分の生成によってどのように露わになるか？
• RQ4 観測された同位体の豊度および宇宙線データは、電荷を帯びた成分を含む複合暗黒物質モデルにどのような制約を課えるか？
• RQ5 ATLASなどの加速器実験が、こうした複合暗黒物質の電荷を帯びた成分を検出できるか？

主な発見

• 電荷非対称なモデルでは、銀河形成以前のC^{++}の豊度が地上の限界を10^10倍も上回るため、新たな保存電荷の存在に結びつく抑制機構が不可欠である。
• 反Uクォークの過剰がある状況では、正に帯電したUバリオンの原始的豊度は指数関数的に抑制され、異常同位体の過剰生成を回避する。
• アニュチウム（過剰な反Uクォークと反中性子によって束縛された状態）は4Heと結合し、中性のANOヘリウムを形成し、銀河間空間に生存可能である。
• 銀河宇宙線がANOヘリウムを破壊することで、[アニュチウム−N̄] 成分が自由に放出され、そのフラックスは4Heに比して最大で∼10^{-7}に達し、PAMELAやAMS実験で検出可能である。
• OLeヘリウムの破壊から生じる自由なA^{--}粒子のフラックスは、4Heに比して約10^{-9}と推定され、現在および将来の宇宙望遠鏡型検出器でも検出可能である可能性がある。
• 大型ハダロン衝突型加速器（LHC）における、特にATLAS実験による安定クォークおよびレプトンの探索が、複合暗黒物質に含まれる電荷を帯びた成分の存在を検証する上で極めて重要な試験であると特定された。