[論文レビュー] Non-thermal dark matter: supersymmetric axions and other candidates

Howard Baer, Ki-Young Choi+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、強いCP問題と階層問題を解決する超対称的axionモデルを焦点に、非熱的ダークマター（DM）生成をレビューする。WIMPsとボソン的コherent運動（BCM）を組み合わせた混合DM状況を検討し、LHCの制約を回避しつつも、妥当な宇宙論的解決策を提供する非熱的残り滓の可能性を示す。

ABSTRACT

Increasingly stringent limits from LHC searches for new physics, coupled with lack of convincing signals of weakly interacting massive particle (WIMP) in dark matter searches, have tightly constrained many realizations of the standard paradigm of thermally produced WIMPs as cold dark matter. In this article, we review more generally both thermally and non-thermally produced dark matter (DM). One may classify DM models into two broad categories: one involving bosonic coherent motion (BCM) and the other involving WIMPs. BCM and WIMP candidates need, respectively, some approximate global symmetries and almost exact discrete symmetries. Supersymmetric axion models are highly motivated since they emerge from compelling and elegant solutions to the two fine-tuning problems of the Standard Model: the strong CP problem and the gauge hierarchy problem. We review here non-thermal relics in a general setup, but we also pay particular attention to the rich cosmological properties of various aspects of mixed SUSY/axion dark matter candidates which can involve both WIMPs and BCM in an interwoven manner. We also review briefly a panoply of alternative thermal and non-thermal DM candidates.

研究の動機と目的

• LHCのnull結果と冷たいダークマターのWIMP仮説との間の増大する矛盾を解消すること。
• 熱的に生成されたWIMPsの代替として、非熱的ダークマター生成が有効であるかを検討すること。
• WIMPsとボソン的コherent運動（BCM）を含む混合ダークマターモデルの宇宙論的妥当性を検討すること。
• 非熱的DMフレームワーク内での強いCP問題と階層問題の解決策としての超対称的axionモデルの評価。
• 標準のWIMPパラダイムを超える、広範な熱的および非熱的ダークマター候補のレビュー。

提案手法

• 初期宇宙における非熱的ダークマター生成メカニズムを分析し、遅延時または非平衡状態での生成に焦点を当てる。
• BCMのための近似的な大域対称性とWIMPsのための正確な離散的対称性を、別個のDM生成経路として検討する。
• WIMPsとBCM成分が共存する混合ダークマター状況を調査し、相互に絡んだ宇宙論的進化を検討する。
• 現在の観測限界下での混合SUSY/axionモデルの妥当性を評価するために、宇宙論的制約を適用する。
• 非熱的DMの動機付けとして、超対称的axionモデルが強いCP問題と階層問題を同時に解決する仕組みを理論的フレームワークとしてレビューする。
• 一般的な有効場理論と対称性に基づく議論を用いて、熱的WIMPパラダイムを超えるDM候補を分類する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非熱的ダークマター生成は、弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMPs）に対する厳しいLHCの制約を回避できるか？
• RQ2 超対称的axionモデルは、強いCP問題と階層問題を同時に解決しつつ、有効な非熱的ダークマター候補として機能できるか？
• RQ3 WIMPsとボソン的コherent運動（BCM）を組み合わせた混合ダークマターモデルは、どのような宇宙論的含意を有するか？
• RQ4 近似的な大域対称性と正確な離散的対称性は、非熱的DM候補の分類においてどのような役割を果たすか？
• RQ5 理論的動機付けと観測的妥当性の観点から、代替の熱的および非熱的ダークマター候補はどのように比較できるか？

主な発見

• 非熱的ダークマター生成は、LHCのnull結果を踏まえると、熱的に生成されたWIMPsの有効な代替手段である。
• 超対称的axionモデルは、強いCP問題と階層問題を同時に解決できるという点で、極めて動機づけられた候補である。
• WIMPsとボソン的コherent運動（BCM）を含む混合ダークマターモデルは、豊かな宇宙論的ダイナミクスを示し、観測制約を満たすことができる。
• BCM候補は近似的な大域対称性に依存するが、WIMPsはほぼ正確な離散的対称性に依存するため、理論的基盤が明確に異なる。
• この論文は、非熱的残り滓が熱的凍結出の必要なしに一貫したダークマター密度を提供できることを示している。
• 広範な熱的および非熱的ダークマター候補のクラスがレビューされ、それらの理論的および物性的多様性が強調されている。