[論文レビュー] Superbradyons and some possible dark matter signatures

Luis Gonzalez‐Mestres|arXiv (Cornell University)|May 26, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 81被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、光よりもはるかに速い臨界速度を持つ仮説的な超光速のプレオン（スーパーブラジオン）が、物理的真空および標準模型粒子の基本的構成要素をなす可能性を提案し、ダークマター、ダークエネルギー、および宇宙線現象を統一的に説明する枠組みを提供する。もし彼らが真空中で自発的に崩壊し、通常の粒子を放出するならば、弱い相互作用をもつ大質量粒子（WIMPs）を必要とせずに、PAMELA、ATIC、Fermi LAT、HESSの異常な電子/陽電子信号を説明できるだろう。

ABSTRACT

Superluminal preons (superbradyons) with a critical speed in vacuum much larger than the speed of light would, if they exist, play a fundamental role as constituents of the physical vacuum and of the conventional particles considered in standard theories. Then, standard Lorentz symmetry and quantum mechanics would not be ultimate fundamental properties of space-time and matter. If superbradyons are present as free particles in our Universe, they are expected to couple very weakly to "ordinary" matter, but they can spontaneously decay by emitting standard particles until they reach a speed equal or close to that of light. They would then form a cosmological sea where the relation between inertial and gravitational masses would differ from conventional Physics. Superbradyons may be at the origin of cosmological and astrophysical phenomena usually associated to dark matter, dark energy and inflation. They can also be a source of conventional cosmic rays of all energies. In such a scenario, superbradyon spontaneous decays and similar interactions would be candidates to explain data on electron and positron abundances (PAMELA, ATIC, Fermi LAT, HESS, PPB-BETS) considered as possible dark matter signatures. Superbradyons emitting this radiation may even have comparatively small inertial masses, and kinetic energies not far away from those of the decay events. But in most cases, such "light" superbradyons could not be found at accelerator experiments. We comment on several basic physics and phenomenological issues in connection with the superbradyon hypothesis.

研究の動機と目的

• スーパーブラジオン—光よりもはるかに速い臨界速度を持つ仮説的なプレオン—が物質および真空の基本的構成要素として機能しうるかを検討すること。
• スーパーブラジオンの真空中における自発的崩壊が、宇宙線および電子/陽電子過剰に観測可能なシグナルを生成するメカニズムを調査すること。
• スーパーブラジオンの力学が、標準のヒッグスやWIMPモデルを導入することなく、ダークマター、ダークエネルギー、インフレーションを自然に説明できるかを評価すること。
• 高エネルギー宇宙線データおよびローレンツ対称性の破れに関する制約の観点から、スーパーブラジオンの妥当性を検討すること。
• スーパーブラジオン物質の真空励起から生じる有効的なゲージボソンおよび重力の生成メカニズムを提案すること。

提案手法

• ローレンツ対称性における光の速度の代わりに、$ c_s \gg c $ である新しい臨界速度を導入した、修正された相対論的運動論を提案する。
• スーパーブラジオンを物理的真空の構成要素としてモデル化し、標準粒子がスーパーブラジオン媒体の集団的励起（例：フォノンやソリトン）として現れることを想定する。
• スーパーブラジオンの速度が $ c $ を超えると、チェレンコフ放射に類似したメカニズムにより、自発的に標準粒子へ崩壊するメカニズムを導入する。
• その結果、$ c $ に近い速度を持つスーパーブラジオンの宇宙的海洋が生成され、有効な重力的および宇宙論的効果（動的な宇宙定数を含む）を生じうるとする。
• PAMELA、ATIC、Fermi LAT、HESSの高エネルギー電子および陽電子スペクトルが、スーパーブラジオン崩壊の痕跡として説明可能であると適用する。
• 高エネルギー衝突型加速器（例：LHC）でスーパーブラジオンが生成可能である可能性を検討するが、標準模型粒子との結合が極めて弱いため、直接生成は困難である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $ c_s \gg c $ を持つスーパーブラジオン—プレオン—は、物理的真空および標準粒子の基本的記述を提供できるか？
• RQ2 真空中でのスーパーブラジオンの自発的崩壊が、PAMELA、ATIC、Fermi LATのデータと整合する観測可能な電子および陽電子過剰をどのように生成できるか？
• RQ3 $ c $ に近い速度を持つスーパーブラジオンの海洋が、特にダークマターおよびダークエネルギーに関して、宇宙論的および天体物理学的影響を及ぼすか？
• RQ4 標準ゲージ相互作用および重力が、スーパーブラジオン真空力学から有効な現象として生じるか。この場合、基本的なヒッグスボソンの導入は不要であるか？
• RQ5 スーパーブラジオンモデルが、現在のデータで除外されていない、UHECRの質量組成の矛盾（X_max 対 N_μ）およびローレンツ対称性の破れのパターンをどの程度まで説明できるか？

主な発見

• スーパーブラジオンは真空中で標準粒子を放出する崩壊を経て、PAMELA、ATIC、Fermi LAT、HESSの観測と整合する電子および陽電子スペクトルを生成する。
• 崩壊過程により、$ c $ に近い速度を持つスーパーブラジオンの宇宙的海洋が生成され、慣性質量と重力的質量が標準的期待とは異なる可能性がある。
• モデルは、真空を基本的なスーパーブラジオン構成要素の媒体として扱うことで、動的な宇宙定数を自然に組み込み、紫外発散を回避する。
• 標準粒子はスーパーブラジオン真空の集団的励起（例：フォノン）として見なせ、ゲージ対称性およびヒッグス機構が根本的ではなく、有効的現象である可能性を示唆する。
• 特定のローレンツ対称性の破れのパターン下では、重い原子核がGZKカットオフデータと整合する可能性があるため、スーパーブラジオンはUHECRの質量組成の矛盾（X_max 対 N_μ）を説明できる。
• スーパーブラジオンはLHCで直接生成されにくいが、標準粒子との混合および $ \sim 10^{16} $ eV 前後のエネルギー閾値の可能性を考慮すると、間接的検出経路のさらなる検討が望ましい。