[論文レビュー] Supersymmetric Dark Matter 2004

Manuel Drees|ArXiv.org|Oct 7, 2004

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、mSUGRAフレームワーク内での超対称的で最も軽い中性ノのダークマター候補としての妥当性を再評価し、リlic密度制約が厳しくても、不確実性を適切に取り入れた場合、依然として広大な許容パラメータ空間が残存することを示している。標準的宇宙論は、微調整の問題を軽減しないことが結論づけられ、コライダー実験は、観測されたWIMP信号の素粒子的性質を確認するために不可欠である。

ABSTRACT

Recent cosmological data allow to determine the universal Dark Matter (DM) density to a precision of about 10%, if a simple, well-motivated ansatz for the spectrum of primordial density perturbations is correct. Not surprisingly, a thermal neutralino χwill have the correct relic density only in ``small'' regions of parameter space. In particular, for fixed values of the other parameters, the allowed region in the (m_0, m_{1/2} plane (in mSUGRA or similar models) seems quite small, if standard assumptions about the Universe at temperature T \simeq m_χ/ 10 are correct. I argue that the allowed parameter space is actually still quite large, when all uncertainties are properly taken into account. In particular, the current lower limits on sparticle and Higgs masses that can be derived within mSUGRA do not change appreciably when the DM relic density constraint is imposed. I also show that deviating from mSUGRA does not alleviate the finetuning required to obtain the correct relic density, unless one also postulates a non-standard cosmology. Finally, I briefly discuss claimed positive evidence for particle Dark Matter.

研究の動機と目的

• mSUGRAモデルおよび標準的宇宙論の下で、最も軽い中性ノがダークマター候補として許容されるパラメータ空間を再評価すること。
• 非一様なSUGRAモデルや代替的宇宙論が、観測されたダークマターのリlic密度を達成するために必要な微調整を軽減するかどうかを評価すること。
• ダークマターのリlic密度制約を適用した場合、スパーティクルおよびヒッグス粒子の質量に関する現在の下限がどの程度変化するかを評価すること。
• WIMPダークマターとしての観測的証拠が、中性ノ起源と一貫して解釈可能かどうかを、批判的に評価すること。

提案手法

• WMAPデータおよび関連する宇宙論的制約を用いて、ダークマターのリlic密度の99%信頼区間を導出する：$0.087 \leq \Omega_{\rm DM}h^{2} \leq 0.138$。
• 標準的熱的凍結アウト計算を用いて、mSUGRAフレームワーク内での最も軽い中性ノ$\tilde{\chi}_{1}^{0}$のリlic密度を計算する。
• パラメータ空間を$(m_0, m_{1/2})$平面で分析し、観測されたダークマター密度と整合する領域を、宇宙論的および素粒子物理学的入力の不確実性を含めて特定する。
• mSUGRAと非一様SUGRAモデルの結果を比較し、このような拡張が許容パラメータ空間を拡大するか、または微調整を軽減するかを評価する。
• 陽子線の陽電子過剰や511 keVガンマ線の観測信号が、中性ノダークマターと一貫するかを、直接検出とコライダー物理学の制約を用いて評価する。
• 将来的なコライダー実験が、質量と結合定数を測定することで、中性ノWIMPと他のダークマター候補を区別する役割を果たすことを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リlic密度制約におけるすべての不確実性を適切に取り入れた場合、mSUGRAにおける最も軽い中性ノがダークマター候補として許容されるパラメータ空間はどの程度広いか？
• RQ2 mSUGRAにおいてリlic密度制約を適用した場合、スパーティクルおよびヒッグス粒子の質量に関する現在の下限はどの程度変化するか？
• RQ3 非一様SUGRAモデルは、宇宙論を変更せずに、正しいリlic密度を達成するために必要な微調整を顕著に軽減できるか？
• RQ4 陽電子過剰や511 keVガンマ線の観測的証拠は、他の制約に反しない限り、中性ノダークマター由来と一貫して解釈可能か？
• RQ5 コライダーおよび直接検出から得られるどのような実験的証拠が必要か、WIMPが超対称的粒子であることを明確に同定できるか？

主な発見

• リlic密度制約におけるすべての不確実性を適切に取り入れた場合、mSUGRAにおける最も軽い中性ノがダークマター候補として許容されるパラメータ空間は依然として広大である。
• mSUGRA内で導出されたスパーティクルおよびヒッグス粒子の質量に関する現在の下限は、リlic密度制約を適用しても顕著に変化しない。
• 非一様SUGRAモデルは、リlic密度制約を満たすパラメータ空間の割合を拡大せず、また、標準的宇宙論を仮定しない限り、必要な微調整を軽減しない。
• 宇宙線中の陽電子過剰および511 keVガンマ線線は、中性ノダークマターの証拠としては説得力がなく、天体物理学的説明が依然として妥当であり、統計的有意性も限定的である。
• 単一の観測信号は、他の制約に反しない限り、中性ノダークマター由来と一貫して解釈できない。唯一の可能性として陽電子過剰が残っているが、まだ説得力に欠ける。
• コライダー実験は、検出されたWIMPが実際に超対称的粒子であることを確認するために不可欠であり、天体素粒子実験だけでは超対称性を確立できない。