[論文レビュー] SuperWIMP Dark Matter Signals from the Early Universe

Jonathan L. Feng, Arvind Rajaraman+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2003

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、重力レプトンやカルツァ＝クライン重力子などの超弱く相互作用する巨大粒子（superWIMP）であるダークマターが、不安定なWIMPの遅延崩壊によって生じることを提案している。これは、観測された残存密度を自然に達成する。主な結果は、このような崩壊がCMB黒体放射の歪みおよびBBNにおける軽い元素の生成割合に検出可能な宇宙論的痕跡を残すことであり、観測された⁷Liの欠乏がsuperWIMPのシナリオを間接的に裏付ける証拠を提供する。

ABSTRACT

Cold dark matter may be made of superweakly-interacting massive particles, superWIMPs, that naturally inherit the desired relic density from late decays of metastable WIMPs. Well-motivated examples are weak-scale gravitinos in supergravity and Kaluza-Klein gravitons from extra dimensions. These particles are impossible to detect in all dark matter experiments. We find, however, that superWIMP dark matter may be discovered through cosmological signatures from the early universe. In particular, superWIMP dark matter has observable consequences for Big Bang nucleosynthesis and the cosmic microwave background (CMB), and may explain the observed underabundance of 7Li without upsetting the concordance between deuterium and CMB baryometers. We discuss implications for future probes of CMB black body distortions and collider searches for new particles. In the course of this study, we also present a model-independent analysis of entropy production from late-decaying particles in light of WMAP data.

研究の動機と目的

• 従来の直接的・間接的ダークマター探索では検出できないsuperWIMPダークマターの宇宙論的シグネチャーを調査すること。
• 不安定なWIMPがsuperWIMPに崩壊する遅延崩壊が、宇宙論的制約に反しない範囲で観測された軽い元素の生成割合とCMBバリオン密度を一致させられるかを評価すること。
• 特に、エントロピー生成とBBNおよび再結合期におけるエネルギー注入の観点から、WMAPデータを踏まえたsuperWIMPシナリオの妥当性を評価すること。
• 特にCMB黒体放射の歪みおよびBBNバリオメトリーを通じて、精度宇宙論によるsuperWIMPモデルの検証可能な予測を同定すること。

提案手法

• 弱いスケールの質量とプランク抑制付きカップリングを持つ、メタ安定WIMPがsuperWIMP（例：重力レプトンやKaluza-Klein重力子）に崩壊する遅延崩壊をモデル化。崩壊時間τ ∼ 10⁵–10⁸ sを想定。
• WMAPデータによるCMBおよび重水素生成割合の制約を受ける、遅延崩壊粒子によるエントロピー生成のモデルに依存しない分析。
• ビッグバン核合成（BBN）期における、WIMP崩壊による初期宇宙プラズマへのエネルギー注入を評価。特に電磁的およびハドロン的カスケードに注目。
• 観測的制約（τ ∼ 10⁴–10⁶ sにおけるエネルギー注入）に基づき、BBNにおける軽い元素の生成割合（特に⁷LiとD）およびCMB黒体放射の歪み（μ型）の制約を評価。
• 電磁的カスケードによる励起状態の長寿命粒子（NLSP）の崩壊（例：stau）によるイオン化放射の制約を評価。これはBBNによって制限される。
• BBNおよびCMBの制約を比較して、エントロピー生成のタイミングと大きさを制限。パcentレベルの変化が生じるためには、約10⁴ sより前でなければならない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 superWIMPダークマターは、重水素とCMBバリオン密度比の一致を損なわせることなく、観測された⁷Liの欠乏を説明できるか？
• RQ2 遅延崩壊するWIMPがsuperWIMPを生成する場合の宇宙論的シグネチャーは何か？ そして、CMB黒体放射の歪みによって探査可能か？
• RQ3 電磁的およびハドロン的エネルギー注入に対するBBN制約は、特にニュートラリノ崩壊を含む、有効なsuperWIMPシナリオをどの程度制限するか？
• RQ4 遅延崩壊によるエントロピー生成は、宇宙論的観測量にどのような影響を及ぼすか？ また、WMAPデータはそのタイミングと大きさにどのような制約を課すか？
• RQ5 将来のCMB実験は、μ ∼ 2×10⁻⁶のレベルでのμ歪みを検出可能であり、superWIMPモデルの好ましいパラメータ空間を探査できるか？

主な発見

• 観測された⁷Liの欠乏は、WIMPの遅延崩壊によるエネルギー注入がsuperWIMPに移行することで自然に説明され、重水素とCMBバリオメトリーの一致を損なわない。
• μ ∼ 2×10⁻⁶のCMBμ歪みは、preferredなsuperWIMPパラメータ空間全体に感受され、将来的な主要な探査手段となる。
• 電磁的カスケードによる励起状態の長寿命粒子（例：stau）の崩壊からのエネルギー注入に対するBBN制約が、多くのシナリオで最も強い制限をもたらす。特に、顕著なイオン化エネルギー注入を伴う領域は除外される。
• 2体崩壊（例：χ → Z˜G, h˜G）によるハドロン的エネルギー注入は、このような崩壊が抑制されていない限り、ニュートラリノWIMP候補を除外する可能性がある。
• 遅延崩壊によるエントロピー生成は厳密に制限されている。パーセントレベルの変化が生じるためには、約10⁴ sより前でなければならない。これは、BBN直後のわずかな期間に限定される。
• superWIMPシナリオは妥当であり、検証可能である。宇宙論的観測はすでに自然なパラメータ空間の一部を除外しており、将来の精度宇宙論によってさらに制限されたり、確認されたりする見込みである。