[論文レビュー] Particle candidates for dark matter: a case for (dominant or subdominant) relic neutralinos

A. Bottino, Fiorenza Donato+2 more|ArXiv.org|May 22, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、超対称性モデルにおける安定で弱い力で相互作用する大質量粒子（relic neutralinos）が、ダークマター密度を支配的または準支配的にする可能性のある候補であると主張している。宇宙論的および直接検出の制約を用いて、現在のWIMP直接検出実験が、低密度の中性子星状況でさえも、超対称性パラメータ空間の広範な領域を探索できることを示しており、直接および間接検出実験に影響を与える。

ABSTRACT

After a short introduction on particle candidates for dark matter within possible extensions of the standard model, we concentrate on Weakly Interacting Massive Particles, and on one of their most interesting physical realizations: the neutralino. We analyze how detectability of relic neutralinos by direct and indirect means is related to their local and cosmological densities; we use simple general arguments to discusss different scenarios where relic neutralinos make up the dominant bulk of dark matter or only a small fraction of it. Our general arguments are further corroborated by specific numerical results. We show to which extent the present experiments of direct searches for WIMPs, when interpreted in terms of relic neutralinos, probe interesting regions of the supersymmetric parameter space. Our analysis is performed in a number of different supersymmetric schemes.

研究の動機と目的

• 標準模型の超対称性拡張におけるrelic neutralinosがダークマター候補として実現可能かどうかを評価すること。
• それらの宇宙論的豊度にかかわらず、直接および間接WIMP検出実験による中性子星の検出可能性を評価すること。
• 加速器実験の制約を中性子星ダークマターとして解釈した場合、現在の実験的制約が超対称性パラメータ空間に及える制限の程度を特定すること。
• SUGRAとeffMSSMという異なる超対称性フレームワークが、観測的および実験的制約とどの程度整合するかを比較すること。
• ハロー速度分布および結合パラメータの不確実性が、直接検出結果の解釈に与える影響を検討すること。

提案手法

• 初期宇宙における熱的平衡状態下での中性子星の凍結出および残存豊度を、標準的な宇宙論的凍結出計算を用いて分析すること。
• SUGRAおよびeffMSSMを含む複数の超対称性モデルにおける数値シミュレーションを実施し、中性子星質量およびWIMP-核子散乱断面積のパラメータ空間をマッピングすること。
• 局所的および宇宙論的中性子星密度の関係を可視化するためのρχ vs. Ωχh²プロットを構築し、さまざまなシナリオにおける検出可能性の評価を可能にすること。
• ハローの平均速度および非対称なWIMP速度分布に起因する不確実性を組み込み、現実的な検出感度境界をモデル化すること。
• 加速器データ（例：LEPのヒッグスの兆候）および間接検出限界（例：上向きミューオン、反プロトン）の制約を適用し、妥当なパラメータ領域を精緻化すること。
• クォークコンデンゲート値の2セット（セット1およびセット2）を用いて、散乱断面積におけるハドロン的行列要素の不確実性への感受性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低密度の局所的および宇宙論的豊度を持つrelic neutralinosですら、現在の直接WIMP検出実験で検出可能であるか？
• RQ2 現在の直接検出実験が、加速器制約と整合する超対称性パラメータ空間のどの程度を探索しているか？
• RQ3 中性子星の宇宙における豊度（支配的または準支配的）に依存して、直接および間接手法による検出可能性はどのように変化するか？
• RQ4 ハロー速度分布およびハドロン的行列要素の不確実性が、直接検出データの解釈に果たす役割は何か？
• RQ5 DAMA共同研究が報告した年間モダレーション信号は、現在の理論的および実験的制約のもとでrelic neutralinosによって一貫して説明可能か？

主な発見

• 現在の直接検出実験は、LEPヒッグスの兆候を含むすべての加速器制約と整合する超対称性パラメータ空間の領域を探索している。
• 中性子星が総ダークマター密度に部分的にしか寄与していない場合でも、直接検出による検出可能性は依然として実現可能であり、特に低密度状況では顕著である。
• ρχ vs. Ωχh²プロットは、極めて低い局所的および宇宙論的中性子星密度に対しても検出可能性が可能であることを示しており、高密度候補のみが観測可能であるという仮定に疑問を呈する。
• SUGRAに比べ、effMSSMフレームワークは、統一仮定に関する不確実性が低いため、中性子星の素粒子物理学的性質をより強固かつ柔軟にモデル化できる。
• ハロー速度分布およびハドロン的行列要素の不確実性を適切に考慮すれば、DAMAの年間モダレーション信号はrelic neutralinosに起因すると解釈可能である。
• クォークコンデンゲート値にセット2を用いることで、散乱断面積が約3倍に増加し、パラメータ空間における検出可能領域が顕著に拡大する。