[論文レビュー] Stochastic Finsler D-particle Space-Time Foam Enhances Dark Matter Relics

Nick E. Mavromatos, V. A. Mitsou+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2010

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、弦/ブレーン理論における確率的FinslerD-粒子フォームモデルを提案し、動的で非リーマン的時空幾何を誘導することで、軽い超対称粒子（LSP）暗黒物質の熱的残存密度が増加することを示している。モデルはD-粒子の反動が確率的Finsler計量を生成することを示しており、これがボルツマン方程式の源項として作用し、TeVスケールのD-粒子質量において、LambdaCDM予測を上回るLSP残存密度を引き起こす。これは、加速器実験およびガンマ線天文観測による制約に影響を及ぼす。

ABSTRACT

Within the context of supersymmetric space-time (D-particle) foam in string/brane-theory, we discuss a Finsler-induced Cosmology and its implications for (thermal) Dark Matter abundances. This constitutes a truly microscopic model of dynamical space-time, where Finsler geometries arise naturally. The D-particle foam model involves point-like brane defects (D-particles), which provide the topologically non-trivial foamy structures of space-time. The D-particles can capture and emit stringy matter and this leads to a recoil of D-particles. It is indicated how one effect of such a recoil of D-particles is a back-reaction on the space-time metric of Finsler type which is stochastic. We show that such a type of stochastic space-time foam can lead to acceptable cosmologies at late epochs of the Universe, due to the non-trivial properties of the supersymmetric (BPS like) D-particle defects, which are such so as not to affect significantly the Hubble expansion. The restrictions placed on the free parameters of the Finsler type metric are obtained from solving the Boltzmann equation in this background for relic abundances of a Lightest Supersymmetric Particle (LSP) dark matter candidate. It is demonstrated that the D-foam acts as a source for particle production in the Boltzmann equation, thereby leading to enhanced thermal LSP relic abundances relative to those in the Standard LambdaCDM Cosmology. For D-particle masses of order TeV, such effects may be relevant for dark matter searches at colliders. The latter constraints complement those coming from high energy gamma-ray astronomy on the induced vacuum refractive index that D-foam models entail. We also comment briefly on the production mechanisms of such TeV-mass stringy defects at colliders, which, in view of the current LHC experimental searches, will impose further constraints on their couplings.

研究の動機と目的

• 弦/ブレーン理論におけるD-粒子に基づく、微視的で動的な時空フォームモデルの構築。
• D-粒子の反動から生じるFinsler幾何が、宇宙論的進化および暗黒物質の残存密度に与える影響の調査。
• このような確率的Finsler背景が、ハッブル膨張を損なわず、最終的宇宙論と整合するかの検証。
• ボルツマン方程式におけるDフォーム誘導粒子生成が、熱的LSP残存密度に与える増幅を定量化すること。
• 加速器および高エネルギーガンマ線観測の制約を踏まえたTeVスケールD-粒子の物性的妥当性の評価。

提案手法

• BPSに類似したD-粒子欠陥のネットワークとして時空フォームをモデル化し、ストリング的物質を捕獲・放出することで反動を引き起こす。
• D-粒子反動に対するバックレアクションとして、非自明で非リーマン的幾何的構造を持つ確率的Finsler型計量を導出する。
• この確率的Finsler背景においてLSP残存密度をボルツマン方程式で解き、Dフォームを粒子生成の源項として扱う。
• 観測された最終的宇宙論およびハッブル膨張と整合するため、Finsler計量の自由パラメータに制約を課す。
• 予測された残存密度を標準的なLambdaCDMと比較し、増幅効果を定量化する。
• 真空屈折率およびD-粒子結合定数に関する加速器およびガンマ線天文観測の制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超対称的D-粒子フォームモデルにおけるD-粒子反動から、確率的Finsler幾何はどのように生じるか？
• RQ2 Finsler誘導時空フォームは、軽い超対称粒子（LSP）の熱的残存密度をどの程度増幅するか？
• RQ3 このようなモデルは、特にハッブル膨張率に関して、最終的宇宙論観測と整合性を保てるか？
• RQ4 加速器探索および高エネルギーガンマ線天文観測から、TeVスケールD-粒子に課される物性的制約は何か？
• RQ5 ボルツマン方程式におけるDフォーム誘導粒子生成項は、標準的な暗黒物質残存密度計算をどのように変更するか？

主な発見

• D-粒子反動から生じる確率的Finsler計量は、最終的宇宙論的整合性を保ちつつ、時空幾何に非自明な修正をもたらす。
• Dフォームはボルツマン方程式の源項として機能し、標準的なLambdaCDM予測を上回るLSPの熱的残存密度を生じる。
• D-粒子質量がTeVスケールに近い場合、残存密度の増幅は顕著になり、将来的な加速器実験で検出可能となる可能性がある。
• 観測されたハッブル膨張および最終的宇宙論と整合するため、Finsler計量の自由パラメータに制約が課される。
• 真空屈折率に関する高エネルギーガンマ線天文観測の制約が、Dフォームモデルに対する補完的制約を提供する。
• 現在のLHCにおけるストリング的欠陥探索は、TeVスケールD-粒子の結合定数にさらなる制約を課し、その物性的妥当性を制限する。