[論文レビュー] Non-Thermal Production of Wino Dark Matter via the Decay of Long-Lived Particles

Takeo Moroi, Minoru Nagai+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、長寿命粒子（例：モジュライ、グラビティーノ、アクシン）の崩壊によるウィノの非熱的生成を調査し、熱的ウィノの残存密度が不足する2.9 TeV未塔のウィノ質量に対しても、観測されたダークマター密度を達成できる可能性を示している。主な貢献は、共凝集効果とソモフィールド効果を正確に組み込んだ計算であり、異常媒長SUSYモデルにおける実現可能なウィノダークマターのシナリオを示している。

ABSTRACT

We consider supersymmetric models in which the neutral Wino is the lightest superparticle (LSP), and study the possibility that non-thermally produced Wino plays the role of dark matter. The thermal relic density of Wino is smaller than the present mass density of dark matter if wino mass is smaller than 2.9 TeV; however, even with smaller Wino mass, Wino can be the dominant component of dark matter if it is non-thermally produced by the decay of an exotic particle. In order to study such a possibility in detail, we perform a precise calculation of the present mass density of Wino produced by the exotic-particle decay, taking account of the following effects: (i) coannihilation among charged and neutral Winos, and (ii) Sommerfeld effect on the pair annihilation cross section of Winos. We consider several well-motivated cases where the exotic particle corresponds to cosmological moduli fields, gravitino, or axino, and discuss the implication of the Wino LSP for these cases.

研究の動機と目的

• モジュライ、グラビティーノ、またはアクシンなどの長寿命粒子の崩壊によって非熱的に生成されるウィノダークマターの実現可能性を調査すること。
• 長寿命粒子の遅延崩壊によるLSPの過剰生成が引き起こす宇宙論的問題（過剰閉じ込め）を扱うこと。
• 中性ウィノの残存密度を、電荷を帯びたウィノと中性ウィノの間の共凝集およびソモフィールド効果による散乱断面積の増幅を考慮して正確に計算すること。
• 特に異常媒長SUSY破れモデルにおいて、非熱的に生成されたウィノが主要なダークマター成分として一貫しているかどうかを評価すること。

提案手法

• ビッグバン核合成以降に崩壊する長寿命粒子Xの崩壊から生じる中性ウィノの残存密度を計算する形式的枠組みを採用。
• ウィノの電荷を帯びた状態と中性状態の間の共凝集効果を組み込み、これはXの崩壊温度がW±とW⁰の質量差より高い場合に顕著である。
• 非相対論的効果的場理論における量子力学的補正から導かれる、高質量（mW̃ ≳ 1 TeV）におけるウィノ対散乱断面積の増幅を表すソモフィールド増幅因子を用いる。
• 相空間および相対論的量子場理論からの動的要因を含む、全散乱チャネル（W⁺W⁻、ZZ、Zγ、γγ、フェルミオン対）を用いた最終的なウィノ残存密度の数値計算。
• 表1に示された動的要因Dおよびソモフィールド因子|A|²を用い、質量比をウィノ質量で正規化。
• 散乱断面積の式を適用：σv = (π²α₂² / mW̃²) × Σ(2S+1)P(x₁,x₂)D|A|²、ここでDおよび|A|²は各最終状態に対して表にまとめられている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュライ、グラビティーノ、またはアクシンなどの長寿命粒子の崩壊によるウィノダークマターの非熱的生成が、熱的ウィノ生成が不十分な場合でも、観測されたダークマター残存密度を説明できるか？
• RQ2 非熱的生成シナリオにおいて、電荷を帯びたウィノと中性ウィノの間の共凝集プロセスが、最終的な中性ウィノ残存密度にどのように影響するか？
• RQ3 高質量ウィノにおけるソモフィールド効果による対散乱断面積の増幅が、残存密度の計算にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 長寿命粒子（例：τ < 1秒）の遅延崩壊に関する宇宙論的制約が、このような非熱的ウィノダークマターモデルの実現可能性に及ぼす制限は何か？
• RQ5 スカラーが重い異常媒長SUSY破れモデルにおいて、熱的残存密度が小さいにもかかわらず、ウィノが依然として主要なダークマター成分である可能性はあるか？

主な発見

• ウィノ質量mW̃ ≲ 2.9 TeVでは、熱的ウィノ残存密度は観測されたダークマター密度を説明するには不十分であり、非熱的生成メカニズムが不可欠である。
• モジュライ、グラビティーノ、またはアクシンなどの長寿命粒子の崩壊による非熱的生成は、2.9 TeV未塔のウィノ質量に対しても、観測されたダークマター密度と整合する残存密度を生成可能である。
• 電荷を帯びたウィノと中性ウィノの間の共凝集は、特にW±–W⁰質量差（約150–165 MeV）に比べて崩壊温度が高い場合に、最終的な残存密度を顕著に抑制する。
• ウィノ対散乱断面積は、mW̃ ≳ 1 TeVの高質量領域でソモフィールド効果により数個のオーダー増幅され、これにより残存密度がさらに抑制され、非熱的生成の実現可能性が高まる。
• mW̃ ≳ 1 TeVの領域では、共凝集とソモフィールド効果の両方が組み合わさり、最終的なウィノ残存密度が顕著に減少し、非熱的生成が有効なダークマター生成メカニズムとなる。
• 長寿命粒子Xがビッグバン核合成の前後または直後に崩壊する（τ < ~1秒）限り、宇宙論的制約と整合しており、軽い元素の合成が破壊されない。