[論文レビュー] Tera-Leptons Shadows over Sinister Universe

Daniele Fargion, Maxim Khlopov|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、Sinister SU(3)×SU(2)×SU(2)′×U(1)モデルにおける安定で重いテラレプトン（E⁻, E⁺）およびテラクォーク（U, Ū）が、安定なヘリウム様の（UUUEE）暗黒物質状態を形成しうると提案している。しかし、このモデルは深刻な宇宙論的制約に直面しており、初期のヘリウム4イオン（⁴He²⁺）がE⁻を捕獲することで形成される（⁴HeE⁻）⁺は、化学的に異常な水素様イオンであり、特異な同位体に関する厳密な制約に反するため、モデルの妥当性に「影」を落としている。驚くべきことに、UHECRによって生成される中性テラパイオン（Uū, uŪ）は、GZKカットオフの異常とBL-Lac源との相関を説明する有望な候補である。

ABSTRACT

The role of Sinister Heavy Fermions in recent Glashow's SU(3)*SU(2)*SU(2)'*U(1) model is to offer in a unique frame relic Helium-like products (an ingenious candidate to the dark matter puzzle), a solution to the See-Saw mechanism for light neutrino masses as well as to strong CP violation problem in QCD. The Sinister model requires a three additional families of leptons and quarks, but only the lightest of them Heavy U-quark and E-"electron" are stable. Final neutral Helium-like UUUEE state is an ideal evanescent dark-matter candidate. However it is reached by multi-body interactions along a tail of more manifest secondary frozen blocks. They should be now here polluting the surrounding matter. Moreover, in opposition to effective pair quark annihilations, there is no such an early or late tera-lepton pairs suppressions, because:a) electromagnetic interactions are "weaker" than nuclear ones and b) helium ion 4He++ is able to attract and capture, E-, fixing it into a hybrid tera helium "ion" trap. This leads to a pile up of relic (4HeE)+ traces, a lethal compound for any Sinister Universe. This capture leaves no Tera-Lepton frozen in Ep relic (otherwise an ideal catalyzer to achieve effective late E+E- annihilations possibly saving the model). The (4HeE)+ Coulomb screening is also avoiding the synthesis of the desired UUUEE hidden dark matter gas. The e(4HeE)+ behave chemically like an anomalous hydrogen isotope.Also tera-positronium (eE+) relics are over-abundant and they behave like an anomalous hydrogen atom: these gases do not fit by many orders of magnitude known severe bounds on hydrogen anomalous isotope, making grave shadows over a Sinister Universe. However a surprising and resolver role for Tera-Pions in UHECR astrophysics has been revealed.

研究の動機と目的

• 三つの追加の重いフェルミオン世代を含む、Sinister Universeモデルの妥当性を評価すること。
• 初期宇宙における多体系的相互作用を通じて、（UUUEE）状態が安定な暗黒物質候補として形成可能かどうかを調査すること。
• 特に電磁相互作用および核反応を通じた、テラレプトンおよびテラハドロンの残滓に対する宇宙論的・天体物理学的制約を評価すること。
• UHECRによって生成されるテラパイオンが、GZKカットオフの異常およびUHECRの非一様性を説明する役割を果たす可能性を検討すること。
• 特異な水素同位体および宇宙線スペクトルに関する観測的制約を満たすかどうかを判断すること。

提案手法

• CP′対称性を持つGlashowのSU(3)×SU(2)×SU(2)′×U(1)ゲージモデルを採用し、テラフェルミオンは弱い相互作用に対して不活性で、質量がS ≈ 10⁶倍に及ぶこととする。
• 重いニュートリノの混合を介したシー・サウス機構を適用し、軽いニュートリノ質量を生成するが、E⁻が最も軽いテラフェルミオンであることを保証することで安定性を確保する。
• 初期宇宙における多体系的相互作用および凍結過程をモデル化し、（UUUEE）暗黒物質状態の形成を評価する。
• テラレプトンおよびテラハドロンの電磁的および強い相互作用によるエネルギー損失（dE/dx）を計算し、検出可能性および安定性を評価する。
• 中心系フレームにおける光パイオン生成の閾値（γ + Uū → Uū + π）を評価し、UHECRの伝播限界を決定する。
• （⁴HeE⁻）⁺の化学的性質を異常な水素同位体として評価し、宇宙論的制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sinisterモデル下で、初期宇宙において（UUUEE）状態が安定で長寿命な暗黒物質の残滓として形成可能か？
• RQ2 初期宇宙の最初の3分間における、⁴He²⁺イオンとE⁻の間の電磁的引力が、既知の特異同位体に関する制約に反する化学的に異常なイオン（⁴HeE⁻）⁺をどれほど形成するか？
• RQ3 UHECRによって生成される中性テラパイオン（Uū, uŪ）は、標準核子よりもはるかに高いGZKに類似したカットオフエネルギーを持つが、これは観測されたUHECRスペクトルにGZKカットオフが存在しない理由を説明できるか？
• RQ4 宇宙放射場におけるUHEテラレプトン（E⁻, E⁺）のエネルギー損失が極めて小さいことは、その検出可能性および銀河内を横断する伝播にどのように影響するか？
• RQ5 UHECRがBL-Lac源と相関しているという観測結果は、トップダウン源から生成されたUHEテラパイオンの生成および伝播によって説明可能か？

主な発見

• ビッグバン核合成の過程で（⁴HeE⁻）⁺が形成されるのは避けがたい。これは、⁴He²⁺とE⁻の間の強いクーロン引力に起因し、安定で化学的に異常なイオンとなり、重い水素同位体に似た振る舞いを示す。
• （⁴HeE⁻）⁺の生成量は、既知の宇宙論的制約を超えて数個の桁以上に達するため、Sinister Universeモデルは観測と矛盾し、妥当性を失う。
• 質量約500 GeVのテラレプトン（E⁻, E⁺）は、コンプトン波長が小さいため、宇宙放射場においてエネルギー損失が極めて小さく、宇宙を長距離にわたって伝播可能である。
• UHECRによって生成される中性テラパイオン（Uū, uŪ）の光パイオン生成の閾値エネルギーは約1.4×10²³·S₆ eVであり、標準のGZKカットオフ（約4×10¹⁹ eV）よりも3桁以上高い。このため、宇宙規模の距離をエネルギー損失なしに伝播可能である。
• 中心系フレームにおける光パイオン生成の高い閾値により、テラパイオンは宇宙背景放射に対してほとんど透過し、銀河的および銀河間磁場による偏光やエネルギー損失を回避できる。
• その結果、テラパイオンは、減衰が最小限に抑えられるため、観測されたUHECRの非一様性およびBL-Lac源との相関を説明する強力な候補である。