[論文レビュー] Scalar field dark matter with two components: combined approach from particle physics and cosmology

Eréndira Gutiérrez-Luna, Belen Carvente+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 80被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、宇宙論的および素粒子物理学的制約を用いて、古典的複素スカラー場とアキソン型またはヒッグス型の場を組み合わせた二成分スカラー場のダークマター模型を調査する。アキソン-ヒッグス型の組み合わせはビッグバン核合成（BBN）の有効なニュートリノ種数に対する制約を満たさないが、古典的-ヒッグス型の場の組み合わせは、ヒッグス型場のダークマターへの寄与に対して厳密な上限を課し、直接検出における検出可能性を低下させる。

ABSTRACT

In this work we explore the possibility of incorporating particle physics motivated scalar fields to the dark matter cosmological model. In this landscape, we consider the classical complex scalar field in a certain region in the parameter space of the model that increases the number of neutrino species $N_{\mathrm{eff}}$, in order to be consistent with the observed abundance of light elements produced at Big Bang Nucleosynthesis (BBN). We perform analyses using one and two scalar fields. We examine the difference between these models and the priors considered at the edges of the cosmic ladder, this with the purpose of studying the impact of such models on the Hubble cosmic flow. In the two scalar field models we explore the possibility of combining an axion and a Higgs-like field as well as a Higgs-like field and the classical field, we show that in the first case there is no set of parameters that allows us to be consistent with $N_\mathrm{eff}$, while in the second case a strong restriction to the set of parameters is obtained. This last restriction is given in terms of a maximum bound of the fraction of Higgs-like field that can be incorporated together with the classical field. Our results could be relevant in the direct dark matter detection programs.

研究の動機と目的

• 古典的、アキソン型、ヒッグス型の場を含む二成分スカラー場のダークマター模型が宇宙論的枠組み内で妥当であるかを調査すること。
• このような多成分モデルがビッグバン核合成（BBN）期における有効ニュートリノ種数（Neff）に与える影響を評価すること。これは重要な宇宙論的制約である。
• 古典的およびヒッグス型スカラー場を組み合わせた際、BBNおよびハッブルフロー測定から生じるパラメータ空間の制限を特定すること。
• このようなモデルが直接ダークマター検出実験に与える影響、特に質量の大きいスカラー場の検出確率の低下を評価すること。
• アキソン型およびヒッグス型の場が、既存の宇宙論的観測を破らない範囲で、1つのダークマター模型に共存可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 2つの古典的複素スカラー場を含む宇宙論的モデルを構築し、それぞれが四次ポテンシャル V(|φ|) = μ²|φ|² + σ²|φ|⁴ を持つクライン=ゴルドン方程式で記述される。
• ビッグバン核合成（BBN）の制約を適用し、有効ニュートリノ種数（Neff）を制限することで、観測された軽い元素の生成割合と整合性を保つ。
• ハッブルパラメータの測定（例：宇宙距離階層から）を用いてハッブルフローを制約し、宇宙論的スケールでのモデルの妥当性を検証する。
• 2場の組み合わせ（1）アキソン型＋ヒッグス型、（2）古典的＋ヒッグス型のパラメータ空間スキャンを実施し、Neffおよびハッブルフローと整合するかを評価する。
• 宇宙論的整合性条件に基づき、ヒッグス型場のダークマター密度に占める割合の最大限界を導出する。
• 半古典的近似を用いて量子場理論から古典的場の方程式へと移行し、宇宙論的解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 古典的複素スカラー場とヒッグス型またはアキソン型場を組み合わせた二成分スカラー場のダークマター模型は、ビッグバン核合成（BBN）のNeffに関する制約を満たし続けることができるか？
• RQ2 ダークマター系にアキソン型場とヒッグス型場を組み合わせた場合の宇宙論的影響は何か？このような組み合わせは観測的制約を満たすか？
• RQ3 古典的スカラー場に加えてヒッグス型場を含めることで、ハッブルパラメータの時間的変化および宇宙距離階層の測定にどのような影響が生じるか？
• RQ4 BBNおよびハッブルフローのデータと整合する二成分ダークマター模型において、ヒッグス型場が占める最大許容割合は何か？
• RQ5 このような多成分モデルは、特に質量の大きいスカラー場の直接検出の可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• アキソン型場とヒッグス型場の組み合わせは、BBNにおけるNeffの制約を満たさないため、ダークマターとしての有効性が否定される。
• 古典的スカラー場とヒッグス型場の組み合わせは、ヒッグス型場の寄与割合が上界に制限される場合にのみ妥当であり、宇宙論的整合性から厳密な上限が導かれる。
• ヒッグス型場が全ダークマター密度に占める最大許容割合は、Neffおよびハッブルフローのデータと整合するため、10%未満に制限される。
• モデルは、質量の大きなスカラー場（例：ヒッグス型）が全ダークマター密度を占めることはできず、直接検出実験における検出確率が低下することを示している。
• 結果として、直接検出プログラムは、通常のターゲットとされる成分が支配的でない多成分ダークマターのシナリオを検討する必要がある可能性を示唆している。
• 古典的スカラー場は、ヒッグス型成分が劣勢である場合にのみ、妥当なダークマター候補として残る。これは、強いパラメータ空間の制限を示している。