[論文レビュー] On the stability of particle dark matter

Thomas Hambye|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

本稿は、粒子的ダークマター（DM）の安定性の動的起源を調査し、DMの宇宙論的長寿命性が便宜的な仮定ではなく、根本的な対称性に起因する必要があることを強調している。ゲージ対称性、偶然的対称性、および大統一理論（GUT）といった安定化メカニズムをレビューし、それぞれが間接検出信号、LHCの特徴、統一構造といった異なる物性的特徴をもたらすことを示している。

ABSTRACT

From the particle physics point of view, the most peculiar property of the dark matter particle is its stability on cosmological time scales. We briefly review the possible origins of this characteristic feature for candidates whose relic density results from the thermal freeze-out of their annihilation. We emphasize that each stabilization mechanism implies an all specific phenomenology. The models reviewed include supersymmetric and non-supersymmetric models where the stability is a consequence of grand-unification, models where stability is due to an unbroken gauge group and models where the DM stability is accidental. The latter possibility includes minimal dark matter, hidden vector dark matter and composite DM models.

研究の動機と目的

• アドホックな対称性を越えて、ダークマター粒子の宇宙論的安定性を説明する根本的メカニズムを特定・分類すること。
• ゲージ、偶然的、またはGUTに基づく安定化メカニズムの違いが、ダークマター模型の構造と物性的特徴に与える影響を検討すること。
• 未破れたゲージ対称性やUV完備化によって生じるDM安定性を有する非超対称的および超対称的モデルの妥当性を評価すること。
• これらのメカニズムが、間接検出、直接検出、およびコライダー探索（特にLHC）に与える影響を検討すること。
• DM安定性が、微小な結合定数や軽量なステアラルニュートリノを伴うモデルにおいて、フレーバー対称性や重力結合と結びつけられるかを検討すること。

提案手法

• 未破れたU(1)_{B-L}や非アーベルゲージ対称性（例：U(1)_{B-L}）による安定化を分析し、対称性を破るすべてのスカラー場が関連する量子数に関して偶数である場合、安定性が生じることを示している。
• MSSMにおけるR対称性を、U(1)_{B-L}ゲージ群から生じる離散的Z2対称性として扱い、UV完備化におけるR対称性がこのゲージ対称性の残渣として現れることを検討している。
• ベクトル型クォーク模型におけるG対称性のような偶然的対称性を検討し、ベクトル構造が最も軽い複合状態（例：π′）の崩壊を保護することを示している。
• 隠れたセクターを伴うモデル（例：隠れたベクトルDMやミラー核）を検討し、保存されるミラー核番号が安定性をもたらすことを示している。
• 偶然的対称性の破れに寄与する次元5演算子の役割を評価し、安定性を維持するためには追加のグローバル対称性（例：Peccei-Quinn）が必要であることを示している。
• 重力結合、微小なヤコビ結合定数（例：keVスケールの右巻きニュートリノ）および崩壊率が抑制されたアキソン様粒子といった代替の安定化メカニズムをレビューしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アドホックな離散的対称性を越えて、ダークマター安定性の根本的動的起源は何か？
• RQ2 特にU(1)_{B-L}およびそのGUTへの埋め込みが、安定なダークマター候補をどのように導くか？
• RQ3 G対称性やB-L保存といった偶然的対称性が、ダークマター模型においてどのように特徴的な物性的特徴を生じるか？
• RQ4 A4群に由来するフレーバー対称性の破れパターンと、ダークマター安定性が結びつけられるか？
• RQ5 高スケールのゲージ対称性や偶然的対称性によって安定化されたダークマターのコライダー、直接、および間接検出の特徴は何か？

主な発見

• 未破れたU(1)_{B-L}やSO(10)ゲージ対称性を持つモデルでは、対称性を破るすべてのスカラー場が関連する量子数に関して偶数であれば、自然にダークマター安定性が生じ、R対称性の破れを回避できる。
• MSSMにおいて、R対称性はU(1)_{B-L}の離散的残渣として正当化され、ライトネスネイチャーの安定性が便宜的な仮定なしに成立する。
• U(1)_{B-L}を有する非超対称的モデルでは、3(B-L)に関して奇数表現に変換するスカラーまたはフェルミオン的DMが安定化可能であり、16_H、144_H、または560_H表現に妥当な候補が存在する。
• 保存されるG対称性を有するベクトル型クォークから生じる複合ダークマターは、TeVスケールの質量を持つWIMPを形成し、直接検出断面積が約10^{-45} cm²に達する。
• 偶然的安定なDM候補（例：隠れたベクトルボソンやミラーニクレオ）は、崩壊によって強力なガンマ線ラインを発生させ、特徴的な間接検出シグナルを提供する。
• 重力結合のみの結合や質量が約10^{-3} eVのアキソン様粒子は、自然に抑制された崩壊率により十分な安定性を達成できるが、直接検出を避けやすい。