[論文レビュー] Right-handed sneutrinos as self-interacting dark matter in supersymmetric economical 3-3-1 model

H. N. Long|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、超対称的経済的3-3-1模型における右巻き sneutrino が、ヒッグス粒子を通じた弱い相互作用と、最も軽い slepton としての安定性により、自己相互作用型暗黒物質（SIDM）を形成すると提案している。モデルはSIDMのためのSpergel-Steinhardt条を自然に満たし、追加の対称性を必要とせず、質量制限が≤10 MeVに抑えられる。自己相互作用の強さはD項と超対称性によって固定される。

ABSTRACT

In this work we show that the supersymmetric economical SU(3)_C X SU(3)_L X U(1)_X (3-3-1) gauge model has a realistic candidate for self-interacting dark matter. In the model under consideration, the right-handed sneutrino is in bottom of the triplet, which is a singlet of the Standard Model SU(2)_L group. In addition, the right-handed sneutrino is the lightest slepton. By these properties, the right-handed sneutrino is weakly interacting with the Standard Model and stable without introduction of extra symmetry. From the Spergel-Steinhardt condition, the typical mass limit $\leq 10 $ MeV is derived. With self-interacting coupling constant fixed by supersymmetry, this limit is deduced without any approximation. The condition for thermal generated self-interacting dark matter in the Universe is also obtained.

研究の動機と目的

• 追加の対称性を課さずに、3-3-1模型の超対称的拡張において現実的で安定な暗黒物質候補を特定すること。
• 銀河構造のシミュレーションにおける冷たい暗黒物質（CCDM）の欠陥を是正するため、自己相互作用型暗黒物質（SIDM）メカニズムを提案すること。
• 右巻き sneutrino がSIDMのためのSpergel-Steinhardt条件を満たしており、観測された暗黒物質密度と整合することを示すこと。
• このモデル内での初期宇宙におけるSIDM生成の熱的残り残像濃度条件を導出すること。
• 自己相互作用カップリングが超対称性およびD項によって固定され、恣意的な仮定を排除できることを示すこと。

提案手法

• モデルは、超対称的経済的3-3-1ゲージ群 $SU(3)_C \otimes SU(3)_L \otimes U(1)_X$ を用い、右巻き sneutrino は $SU(2)_L$ に関してスカラーダイレットとして変換する。
• 右巻き sneutrino はその $L = -1$ レプトン数と、標準模型ゲージボソンとの結合の欠如により安定化され、追加の対称性なしに長期的安定性を保証する。
• 自己相互作用断面積は、ラグランジアン内のD項から導出され、自由パラメータなしにカップリング強度を固定する。
• SIDMのためのSpergel-Steinhardt条件を適用し、ヒッグス媒介散乱振幅を用いて $m_S \leq 10$ MeV の質量制限を導出する。
• 熱的残り残像濃度は、$g(T) \approx 260$ を用いたボルツマン方程式により計算され、$\Omega_{\text{DM}} \approx 0.3$ を満たす。
• 数値的制約は、ヒッグス崩壊幅 $\Gamma_H = \lambda_H^2 / (16\pi m_H)$ および条件 $\lambda_H \approx 1.89 \times 10^{-6} \times (g(T)/260)^{3/8} \times (m_H/90\,\text{GeV})^{5/4} \times (m_S/30\,\text{MeV})^{-1/4}$ から導出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超対称的経済的3-3-1模型における右巻き sneutrino は、追加の対称性を必要とせず、安定で自己相互作用型の暗黒物質候補として機能できるか？
• RQ2 このモデルは、質量制限が≤10 MeVである自己相互作用型暗黒物質（SIDM）のためのSpergel-Steinhardt条件を満たしているか？
• RQ3 このフレームワーク内での右巻き sneutrino の自己相互作用カップリングは、超対称性およびD項によってどのように固定されるか？
• RQ4 右巻き sneutrino の熱的残り残像濃度は何か？観測された暗黒物質密度 $\Omega_{\text{DM}} \approx 0.3$ と整合するか？
• RQ5 このモデルは、銀河ハローのコア構造に関する天体物理学的制約に整合する質量を持つ自己相互作用型暗黒物質候補を生成できるか？

主な発見

• 右巻き sneutrino は、超対称的経済的3-3-1模型において、自然な自己相互作用型暗黒物質（SIDM）候補であり、Spergel-Steinhardt条件により $m_S \leq 10$ MeV に質量が制限される。
• 自己相互作用カップリングはD項と超対称性によって固定され、恣意的な仮定や追加の対称性の必要性がなくなる。
• モデルは $\Omega_{\text{DM}} \approx 0.3$ を満たす熱的残り残像濃度を生成し、観測された暗黒物質密度と整合する。
• ヒッグス媒介散乱振幅により、カップリング強度 $\lambda_H \approx 1.89 \times 10^{-6} \times (g(T)/260)^{3/8} \times (m_H/90\,\text{GeV})^{5/4} \times (m_S/30\,\text{MeV})^{-1/4}$ が得られ、必要な自己相互作用断面積を保証する。
• 標準模型ヒッグス粒子の質量は、木レベルで $m_H \approx 91.573$ GeV と予測され、実験的制限と整合する。量子修正によりさらに増加すると予想される。
• モデルの最小ヒッグスセクターと豊富なニュートリノの素粒子物理学的性質が保持され、超対称的バージョンは非常に制限が強く、現象学的に妥当である。