[論文レビュー] Strange quark content of the nucleon and dark matter searches

R. D. Young|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、格子QCDシミュレーションを用いて奇妙クォークスカラーマトリックス要素（$\sigma_s$）の不確実性を顕著に低減し、ダークマター直接検出断面積予測の精度を直接的に向上させた。40±30 MeV程度のより正確な$\sigma_s$値の提供により、従来支配的だったハドロン行列要素の不確実性が著しく低減された。

ABSTRACT

The strange quark scalar content plays an important role in both the description of nucleon structure and in the determination of dark matter direct detection cross sections. As a measure of the strange-quark contribution to the nucleon mass, the strange-quark sigma term (σ_s) provides important insight into the nature of mass generation in QCD. The phenomenological determination of σ_s exhibits a wide range of variation, with values suggesting that the strange quark contributes anywhere between 0 and more than 30% of the nucleon mass. In the context of dark matter searches, coupled with relatively large Higgs coupling to strangeness, this variation dominates the uncertainty in predicted cross sections for a large class of dark matter models. Here we report on the recent results in lattice QCD, which are now giving a far more precise determination of σ_s than can be inferred from phenomenology. As a consequence, the lattice determinations of σ_s can now dramatically reduce the uncertainty in dark matter cross sections associated with the hadronic matrix elements.

研究の動機と目的

• ダークマター直接検出断面積予測に影響を与える、奇妙クォークスカラーマトリックス要素（$\sigma_s$）の大きな不確実性を低減すること。
• 2+1動的クォークのフレーバーを用いた格子QCDシミュレーションにより、核子の奇妙クォーク内容の精度を向上させること。
• 物性的推定を格子QCDの入力に置き換えることで、スピン不変WIMP-核子散乱断面積におけるハドロン不確実性を最小限に抑えること。
• 格子QCDの結果が、従来の物性的アプローチよりもより信頼性が高く正確に$\sigma_s$を決定できることを示すこと。
• 理論的不確実性の低減により、将来的なダークマター探索を支援し、断面積予測におけるモデルの区別能を高めること。

提案手法

• 2+1動的クォークを用いた格子QCDシミュレーションを用い、奇妙クォークスカラーデンシティの核子行列要素を計算する。
• バリオン数の保存則と分散関係を用いて、実験的パイオン-核子散乱データをスカラーテルムに関連付ける。
• $t=2m_\pi^2$におけるチェン・ダッシュン点を用いることで、$\Sigma_{\pi N}$の物理点への外挿における理論的不確実性を低減する。
• 関係式$\sigma_s = m_s \langle N|\bar{s}s|N\rangle$を用いて、格子ゲージ配置から奇妙クォークスカラーテルムを抽出する。
• $l$と$\sigma_0$の物性的決定値と比較することで、不確実性の低減度を定量化する。
• micrOMEGAsなどのダークマター断面積パッケージを再構成し、$\sigma_l$と$\sigma_0$の代わりに$\sigma_l$と$\sigma_s$を入力とすることで精度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 核子内の奇妙クォークスカラーテルム（$\sigma_s$）の正確な値は何か？ そしてそれはどのようにダークマター直接検出断面積に影響を与えるか？
• RQ2 2+1動的クォークを用いた最近の格子QCDシミュレーションは、物性的推定と比較して$\sigma_s$の精度をどの程度向上させたか？
• RQ3 $\sigma_s$の不確実性を低減することで、スピン不変WIMP-核子散乱断面積における全体の理論的不確実性はどの程度低減されるか？
• RQ4 格子QCDによる$\sigma_s$の決定値は、以前の物性的推定（広範な値の範囲を示唆）と比較してどう異なるか？
• RQ5 $\sigma_s$に格子QCDの入力を用いることで、直接検出実験におけるダークマターモデル間の区別能が顕著に向上するか？

主な発見

• 格子QCDシミュレーションにより、奇妙クォークスカラーテルム（$\sigma_s$）の精度が約40±30 MeVにまで向上し、従来の不確実性が顕著に低減された。
• 新しい格子QCD結果における$\sigma_s$は、以前の物性的推定値と比べて著しく小さく、核子質量の最大30％程度にとどまる。
• $\sigma_s$に格子QCDの入力を用いることで、スピン不変WIMP-核子断面積の予測不確実性が顕著に低減される。
• 格子QCDによる$\sigma_s$の結果は、チェン・ダッシュン点における物性的抽出値$\Sigma_{\pi N}$と整合しており、手法の妥当性が裏付けられた。
• $\sigma_s$の不確実性低減は、特にヒッグス媒介ダークマター模型において、ハドロン行列要素の不確実性を50％以上低減する。
• 本研究は、micrOMEGAsなどのダークマター断面積パッケージを、$\sigma_l$と$\sigma_s$を入力とし、適切な相関係数を組み込むように更新することを推奨する。