[論文レビュー] Seven (and a half) reasons to believe in Mirror Matter: From neutrino puzzles to the inferred Dark matter in the Universe

R. Foot|ArXiv.org|Feb 16, 2001

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、パリティ対称性の下で通常の物質と対称な仮説的な粒子であるミラーマターが、素粒子物理学および宇宙論における未解決の謎を解消できる可能性を提案している。ミラーマターは、ダークマター、ニュートリノ振動、オルトポジトロンウムの寿命の異常、および異常な流れ星の現象を説明でき、4つの検証可能な予測を含む。特に、ヒッグス場がそのミラーパートナーと混合する場合、ヒッグスの崩壊率が50％低下すると予測される。

ABSTRACT

Parity and time reversal are obvious and plausible candidates for fundamental symmetries of nature. Hypothesising that these symmetries exist implies the existence of a new form of matter, called mirror matter. The mirror matter theory (or exact parity model) makes four main predictions: 1) Dark matter in the form of mirror matter should exist in the Universe (i.e. mirror galaxies, stars, planets, meteoroids...), 2) Maximal ordinary neutrino - mirror neutrino oscillations if neutrinos have mass, 3) Orthopositronium should have a shorter effective lifetime than predicted by QED (in "vacuum" experiments) because of the effects of photon-mirror photon mixing and 4) Higgs production and decay rate should be 50% lower than in the standard model due to Higgs mirror - Higgs mixing (assuming that the seperation of the Higgs masses is larger than their decay widths). At the present time there is strong experimental/observational evidence supporting the first three of these predictions, while the fourth one is not tested yet because the Higgs boson, predicted in the standard model of particle physics, is yet to be found. This experimental/observational evidence is rich and varied ranging from the atmospheric and solar neutrino deficits, MACHO gravitational microlensing events, strange properties of extra-solar planets, the existence of "isolated" planets, orthopositronium lifetime anomaly, Tunguska and other strange "meteor" events including perhaps, the origin of the moon. The purpose of this article is to provide a not too technical review of these ideas along with some new results.

研究の動機と目的

• 素粒子物理学および宇宙論における未解決問題、特にニュートリノ振動とダークマターを解決するためのミラーマターの提案。
• 観測された相互作用において破れつつも、ミラーマターが存在するならば、パリティ対称性と時間反転対称性が根本的である可能性の主張。
• ニュートリノ欠損、マイクロレンズ効果、異常な流れ星、オルトポジトロンウムの崩壊といった、異なる現象を一つの理論的枠組みで統一すること。
• 特にヒッグス物理学とニュートリノ混合に関するミラーマター理論の検証可能な予測の提示。
• 蓄積された間接的証拠を通じて、実験的および観測的探索を促す。

提案手法

• 標準模型のパリティ不変な拡張として、二重ゲージ群 $G \otimes G$ を仮定する。ここで $G = SU(3) \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_Y$ である。
• 通常のゲージ群に対してシングレットであるミラーフェルミオンおよびミラーゲージボソンを導入し、通常の物質との弱い相互作用を保証する。
• オルトポジトロンウムの寿命のずれを説明するため、光子とミラーフォトンの運動エネルギー混合を導入する。
• ヒッグスとミラーヒッグスの混合をモデル化し、標準模型と比較してヒッグスの生成および崩壊率が50％低下することを予測する。
• ニュートリノが質量を持ち、非 degenerate である場合、通常のニュートリノとミラーニュートリノ間の最大振動が予測される。
• MACHOのマイクロレンズ、タンガスカに類似したイベント、および系外惑星の異常といった観測データを、ミラーマターの枠組みで分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミラーマターは、通常のニュートリノとミラーニュートリノ間の最大振動によって、観測された大気圏および太陽ニュートリノ欠損を説明できるか？
• RQ2 真空中の実験でオルトポジトロンウムの有効寿命が短くなったという異常は、光子とミラーフォトンの混合の証拠となるか？
• RQ3 ミラーマターは、重力的マイクロレンズおよび銀河の回転曲線から推定されるダークマターを説明できるか？
• RQ4 ヒッグスとミラーヒッグスの混合によるヒッグス生成および崩壊率の50％低下は、妥当な予測であり、どのように検証できるか？
• RQ5 ミラーマターは、タンガスカ爆発のような出来事で衝突の痕跡や破片が残らない現象、および孤立または「消えた」流れ星の存在を説明できるか？

主な発見

• ミラーマターは、通常の物質との弱い結合ゆえに検出されないミラーガラクシー、星、惑星が存在しうるため、ダークマターの自然な説明を提供する。
• ニュートリノが質量を持ち、非簡約である場合、通常のニュートリノとミラーニュートリノ間の最大振動が予測され、太陽および大気ニュートリノのデータと整合する。
• 光子とミラーフォトンの運動エネルギー混合により、オルトポジトロンウムの有効寿命はQEDの予測よりも短くなると予測され、検証可能なシグネチャを提供する。
• ヒッグスとミラーヒッグスの混合により、ヒッグスの生成および崩壊率は標準模型と比較して50％低下すると予測されるが、当時ヒッグス粒子が発見されていなかったため、未検証のままである。
• タンガスカ爆発に類似した異常な流れ星の出来事は、クレーターも破片も残さないミラーマター天体との衝突によって生じる可能性がある。
• 月の起源は、検出可能な化学的痕跡を残さないミラーマターの衝突によって説明可能であり、地球のマントルと月の組成の類似性を解消する。