[論文レビュー] Stellar cooling bounds on new light particles: including plasma effects

Edward Hardy, Robert Lasenby|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、星の内部でスカラーおよびベクトル粒子の生成率を変化させるプラズマ効果を組み込むことで、新しい軽い粒子に対する星の冷却限界を再考した。これにより、電子および核子に結合するスカラー粒子（m <~ keV）に対する制約が最大で3桁強化され、ダークフォトン結合に対する超新星の制約が大幅に見直され、ベクトルボソンの質量依存性が定性的に変化した。質量 m <~ 2 keV のヒッグスポータル結合を持つスカラー粒子については、混合角が <~ 3×10⁻¹⁰ に制限され、0.2 eV 以上の領域ではこれが支配的となる制約である。

ABSTRACT

Strong constraints on the coupling of new light particles to the Standard Model (SM) arise from their production in the hot cores of stars, and the effects of this on stellar cooling. For new light particles which have an effective in-medium mixing with the photon, plasma effects can result in parametrically different production rates to those obtained from a naive calculation. Taking these previously-neglected contributions into account, we make updated estimates for the stellar cooling bounds on light scalars and vectors with a variety of SM couplings. In particular, we improve the bounds on light (m <~ keV) scalars coupling to electrons or nucleons by up to 3 orders of magnitude in the coupling squared, significantly revise the supernova cooling bounds on dark photon couplings, and qualitatively change the mass dependence of stellar bounds on new vectors. Scalars with mass <~ 2 keV that couple through the Higgs portal are constrained to mixing angle <~ 3*10^-10, which gives the dominant bound for scalar masses above ~ 0.2 eV.

研究の動機と目的

• 星の内部におけるプラズマ効果を考慮することで、既存の星の冷却限界を、新しい軽い粒子に対して改善すること。
• 媒質中での光子との混合が、軽いスカラーおよびベクトル粒子の生成率にどのように影響するかを定量化すること。
• 電子、核子、ヒッグスポータルへのスカラーおよびベクトル粒子の結合に対する制約を再評価すること。
• 特にダークフォトンに対して、プラズマ効果が超新星冷却限界に与える影響を評価すること。
• 媒質効果によって引き起こされる質量依存性の定性的および定量的変化を特定すること。

提案手法

• プラズマ環境下での有限温度場理論を用いて、新しい軽い粒子と光子との有効な媒質中混合をモデル化すること。
• プラズマのスクリーニングおよび集団モードを含む修正されたプロパゲーターを用いて、星の内部におけるスカラーおよびベクトル粒子の生成率を計算すること。
• 星の冷却観測結果（特に赤色超巨星および超新星）に結果を適用し、粒子結合定数に対する制約を導出すること。
• ヒッグスポータルをベンチマーク相互作用として用い、スカラー混合角に対する制約を導出すること。
• プラズマ効果の影響を評価するために、単純な木レベル推定値と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の内部におけるプラズマ効果は、新しい軽いスカラーおよびベクトル粒子の生成率をどのように変化させるか？
• RQ2 媒質中補正は、電子および核子へのスカラー結合に対する制約をどの程度改善するか？
• RQ3 プラズマ効果は、ダークフォトン結合に対する超新星冷却限界をどのように変化させるか？
• RQ4 媒質効果を考慮した場合、新しいベクトルボソンの星の冷却限界の質量依存性はどのように再考されるか？
• RQ5 ヒッグスポータル結合を持つスカラー粒子の最大制約は、m <~ 2 keV の範囲でどの程度か？

主な発見

• プラズマ効果により、電子または核子に結合する軽いスカラー粒子（m <~ keV）に対する制約が、単純な推定値と比較して最大で3桁強化された。
• 質量が約2 keV未満のヒッグスポータル結合を持つスカラー粒子については、混合角が <~ 3×10⁻¹⁰ に厳しく制限され、0.2 eV 以上の領域ではこれが支配的制約となった。
• 超新星冷却限界におけるダークフォトン結合に対する制約が、媒質中効果の影響により大幅に見直された。
• プラズマ効果を含めた場合、新しいベクトルボソンの星の冷却限界の質量依存性が定性的に変化した。
• 媒質中での光子との混合は、生成率をパラメトリックに異なるものにし、密度の高い星のプラズマでは単純な木レベル近似が無効であることを示した。