[論文レビュー] Primordial nucleosynthesis constraint on massive, stable, strongly interacting particles

R. N. Mohapatra, Vigdor L. Teplitz|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 1998

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、核合成データを用いて、初期宇宙における質量が大きく、安定で、強く相互作用する粒子（X）の初期豊度を制限し、10 TeVまでのXの質量に対して、X対バリオン比η_X が 3×10⁻¹¹ から 3×10⁻¹⁶ の範囲に制限されることを示している。これらの制限は、異常核の探索から導かれており、Xと核子の相互作用がΛ-N力よりも著しく弱くない限り、このような粒子の存在は疑わしい。

ABSTRACT

Heavy, stable, strongly interacting massive particles (X), have recently been discussed by many authors in theoretical and phenomenological contexts. We address the question of constraints on these particles from searches for anomalous nuclei containing them that would be formed during primordial nucleosynthesis. Based on existing data and previous investigations of primordial nucleosynthesis of anomalous nuclei, we find a limit on the abundance ratio $\\eta_X\\equiv n_X/n_B$ in the range of $3\ imes 10^{-11}$ to $3\ imes 10^{-16}$ for masses up to 10 TeV with a possible curious window between 93 to 100 GeV for which there seems to be an absence of data. These bounds are orders of magnitude below the expectations for this abundance based on the standard big bang model and generic properties of strongly interacting particles, but depend on the $X-N$ interaction being sufficiently strong. Our bounds raise serious questions about the existence of such particles in nature. Since we draw heavily on our intuition from information on nuclear forces in the $\\Lambda-N$ system, we estimate how much weaker than the $\\Lambda-N$ potential the $X-N$ potential must be in order to evade these bounds.

研究の動機と目的

• 初期核合成の制約を用いて、質量が大きく、安定で、強く相互作用する粒子（X）の宇宙論的妥当性を評価すること。
• 観測された軽い核種における異常な核種から、X対バリオン豊度比η_X = n_X/n_B の上限を特定すること。
• 導かれた制限と核子との相互作用強度を踏まえて、このような粒子が自然界に存在しうるかどうかを評価すること。
• 核合成制約を回避するための、X-N相互作用強度の相対的弱体化を推定すること。

提案手法

• 初期核合成に関する既存のデータを分析し、X粒子を含む異常核の検出を試みる。
• X-N相互作用の理論的モデルを用いて、ビッグバン核合成期における異彩核の生成をシミュレートする。
• 予測されたXを含む核種の豊度と観測限界を比較し、η_X の上限を導出する。
• Λ-N系からの直感を応用して、X-N相互作用強度の必要となる抑制を推定する。
• X-Nポテンシャル強度の最小限の低減量を数値的に推定する。
• 93–100 GeV の間で制約が存在しない可能性のあるデータギャップを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が大きく、安定で、強く相互作用する粒子の初期豊度比η_X = n_X/n_B にどの程度の上限を設定できるか？
• RQ2 初期核合成期に形成された異常核からの制約は、X粒子の妥当性にどのように影響するか？
• RQ3 X-N相互作用の強さは、Λ-N力と比べてどの程度でなければならないか、核合成の制約を回避するためか？
• RQ4 なぜX粒子の93–100 GeVの質量窓では制約が存在しない可能性があるのか？
• RQ5 現在のデータと整合するためには、X-NポテンシャルはΛ-Nポテンシャルよりもどの程度弱くなければならないか？

主な発見

• この論文は、Xの質量が10 TeVまでの範囲で、X対バリオン豊度比η_X が 3×10⁻¹¹ から 3×10⁻¹⁶ の範囲に制限されることを確立している。
• Xの質量が93 GeV未満および100 GeVを超える場合に制約が強く、93–100 GeVの範囲には顕著なギャップがあり、データが存在しない。
• 導かれた制限は、強く相互作用する粒子に対して標準ビッグバンモデルで予想される値よりも桁違いに小さい。
• Xと核子の相互作用がΛ-N力よりも著しく弱くない限り、このようなX粒子の存在は疑わしい。
• 核合成制約を回避するためには、X-NポテンシャルをΛ-Nポテンシャルよりも著しく弱くする必要があるが、正確な閾値はXの質量と相互作用ダイナミクスに依存する。
• 93–100 GeVの窓で制約が存在しないことは、一時的な抜け道の可能性を示唆するが、同時に現在の観測カバー範囲における重要なデータギャップである。