[論文レビュー] Relating leptogenesis and dark matter

Michel H. G. Tytgat|ArXiv.org|Jun 12, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、標準模型の左右対称拡張におけるレプトゲネシス中に生成される$B-L$非対称性を介して、ダークマターとバリオン物質が共通の起源を持つ統一的シナリオを提案する。ダークマター候補は、$D$と呼ばれる重く色を持つメッセンジャーパarticleの遅い崩壊によって非熱的に生成される軽い右巻きメジャノネーター（$\nu_R \sim 1$ GeV）である。これは、異なる生成メカニズムにもかかわらず、バリオンと同程度の自然な豊度をもたらす。

ABSTRACT

A scenario that relates the abundance of dark matter to the baryon asymmetry of the Universe is presented. In this scenario, based on a left-right extension of the Standard Model, dark matter is made of light, ~ 1 GeV, right-handed Majorana neutrinos.

研究の動機と目的

• ダークマターとバリオンの豊度が今日同じであるという微調整問題を、異なる宇宙論的起源にもかかわらず説明する。
• $B-L$保存則に従うメカニズムを通じて、宇宙のバリオン非対称性をダークマター系における同等の非対称性に関連付ける。
• ダークマターが$M \sim 1$ GeVの軽い右巻きメジャノネーターであり、遅く崩壊するメッセンジャーパarticleから非熱的に生成されるモデルを構築する。
• $\nu_R$の豊度が観測されたダークマター密度と一致するように保証し、熱平衡を避けて過剰生成を防ぐ。
• 電弱対称性の破れと整合性を保ち、$T \sim 100$ GeV以降に$D$粒子の崩壊が発生することで、$B+L$非対称性の洗い流しを回避する。

提案手法

• 左対称性を保つ$SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ゲージ群を導入し、レプトゲネシスに寄与する追加の重いメジャノネーター$N$を導入する。
• $B-L = 1$の色を持つ$SU(2)$スカラーのメッセンジャーパarticle $D$を仮定し、重い$N$状態の非平衡崩壊によって生成される$B-L$非対称性を保持する。
• $B+L$非対称性の洗い流しを防ぐために、$D$粒子の崩壊が電弱対称性の破れ後に発生することを保証する。
• $D$粒子の崩壊によって$\nu_R$を非熱的に生成し、熱的豊度の過剰生成を回避する。
• $\nu_R$に$\sim 1$ GeVの質量を割り当て、観測されたダークマターエネルギー密度と整合させ、$\Omega_{\rm dm}/\Omega_b \sim 5$と一致させる。
• $\nu_R$の崩壊を防ぐ離散的対称性（R-パリティに類似）を導入し、安定なダークマター候補としての$\nu_R$の安定性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたダークマターとバリオンの豊度の類似性を、微調整なしに説明可能か？
• RQ2 共通の$B-L$非対称性メカニズムを通じて、バリオン非対称性と一致するダークマターの残存豊度を生成可能か？
• RQ3 $\sim 1$ GeVの軽い右巻きメジャノネーター（$\nu_R$）を、正しい残存密度を得るために非熱的に生成可能か？
• RQ4 $D$粒子の崩壊が$B+L$非対称性の洗い流しを防ぎ、$\nu_R$の遅い生成を保証するために満たすべき制約は何か？
• RQ5 非熱的ダークマター候補（$\nu_R$）は、構造形成および宇宙論的観測と整合可能か？

主な発見

• 本モデルは、$D$粒子の非熱的崩壊を通じて、$\sim 1$ GeVの右巻きメジャノネーターとしてのダークマター豊度を自然に生成し、観測されたダークマター密度と一致する。
• $D$粒子は質量$\sim$ TeVであり、強い相互作用を示すが長寿命で、崩壊幅$\Gamma_D/M_D \sim 10^{-3}$を示し、電弱対称性の破れ後に遅れて崩壊する。
• $\nu_R$は非熱的に生成され、熱的過剰生成を回避するため、ストリーミング長$\sim 1$ Mpcのウォームダークマターの一種である。
• レプトゲネシス中に生成された$B-L$非対称性は、$D$粒子の崩壊を通じてダークセクターに移行し、バリオンとダークマターの豊度が起源で結びつく。
• 適切な$B-L$荷電場を備えた$SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ゲージ群と普遍的シー・サウの枠組み内で、本モデルは実現可能である。
• 弱い相互作用のため直接検出信号がないものの、$D$粒子の質量が高すぎなければ、LHCで生成可能であり、コライダーのシグネチャとしての可能性を有する。