[論文レビュー] The dark atoms of dark matter

Maxim Khlopov, A. G. Mayorov+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、不安定でない二重に帯電した粒子（X^{--}）がヘリウム4と結合して中性のOヘリウム（OHe）原子を形成し、異常な同素体制約を回避する、複合的で暗黒物質である可能性を提案している。これらのOHe原子は地下検出器内のナトリウム原子核に結合し、2–4 keVの放射的捕獲信号を生じる。この信号はDAMA/NaIおよびDAMA/LIBRA実験で観測された年間周期変動を説明でき、弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）を仮定せず、直接検出の矛盾を統一的に説明する。

ABSTRACT

The nonbaryonic dark matter of the Universe is assumed to consist of new stable particles. A specific case is possible, when new stable particles bear ordinary electric charge and bind in heavy "atoms" by ordinary Coulomb interaction. Such possibility is severely restricted by the constraints on anomalous isotopes of light elements that form positively charged heavy species with ordinary electrons. The trouble is avoided, if stable particles $X^{--}$ with charge -2 are in excess over their antiparticles (with charge +2) and there are no stable particles with charges +1 and -1. Then primordial helium, formed in Big Bang Nucleosynthesis, captures all $X^{--}$ in neutral "atoms" of O-helium (OHe), thus creating a specific Warmer than Cold nuclear-interacting composite dark matter. Slowed down in the terrestrial matter, OHe is elusive for direct methods of underground dark. However OHe-nucleus interaction leads to their binding and in OHe-Na system the energy of such level can be in the interval of energy 2-4 keV. It explains the results of DAMA/NaI and DAMA/LIBRA experiments. The puzzles of direct dark matter searches appear in this solution as a reflection of nontrivial nuclear physics of OHe. (abridged)

研究の動機と目的

• 軽い元素の異常同素体制約と電荷を有する複合的暗黒物質候補の間にある矛盾を解消すること。
• WIMPsを仮定せず、DAMA/NaIおよびDAMA/LIBRA実験で観測された年間周期変動信号を説明すること。
• OHe-核結合のメカニズムを特定し、keV領域の検出可能なイオン化信号を生成すること。
• ビッグバン核合成および銀河宇宙線観測と整合する理論的枠組みをOHeが暗黒物質候補として成立するように提供すること。
• 検出器内でのOHe捕獲によって生成される超重ナトリウム同素体を質量分析法で実験的に検証する方法を提案すること。

提案手法

• ビッグバン核合成の過程で、X^{--}粒子が4Heに捕獲され中性のOHe原子が形成されるプロセスをモデル化する。
• ヤクビ型核力とクーロン反発力の両方を含む球対称ポテンシャルにおけるOHeと核の相対運動を記述するシュレーディンガー方程式を解く。
• 核パラメータ（スピンゼロメソンの結合定数および質量を含む）を用いて、OHeとナトリウム核との結合エネルギーを計算する。
• 地球の公転運動に起因する時間依存のフラックスを考慮し、検出器内での放射的捕獲率とイオン化信号の発生を評価する。
• OHeフラックスの年間周期変動を、地球の物質中で急速に平衡化する（緩和時間～数分）ことにより説明し、捕獲率の周期的変動を導出する。
• 原子断面積に起因する移動性の著しい低下により、質量がm_OHeよりやや重い異常な超重ナトリウム同素体が形成されることを予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定で二重に帯電した粒子（X^{--}）が、ビッグバン核合成における同素体分画制約に反しない中性の複合的暗黒物質を形成できるか？
• RQ2 WIMP-核子散乱を仮定せず、DAMA/NaIおよびDAMA/LIBRA実験で観測された年間周期変動をどのように説明できるか？
• RQ3 OHeとナトリウム核との結合エネルギーはどの程度で、観測信号を説明するために必要な2–4 keVの範囲に収まるか？
• RQ4 OHeがナトリウム核に放射的に捕獲され、DAMA検出器でのエネルギー損失と整合する検出可能なイオン化信号を生成できるか？
• RQ5 異常同素体のような実験的シグナルは、OHe暗黒物質仮説の検証にどのように利用できるか？

主な発見

• OHe-核系は、スピンゼロメソンの質量や結合定数といった核パラメータに依存して、2–4 keVの範囲の結合エネルギーを持つ束縛状態を示す。
• OHeがナトリウム核に放射的に捕獲されると、keVスケールのエネルギーが放出され、DAMA検出器で観測されたイオン化信号と一致する。
• 地下検出器内でのOHe濃度は、宇宙線フラックスの変化に数分以内に急速に追従するため、捕獲率の年間周期変動が可能となる。
• 原子断面積に起因する移動性の著しい低下により、質量がm_OHeより重い異常な超重ナトリウム同素体が検出器内で形成されると予測される。
• 重い核を有する検出器（キセノンなど）ではイオン化信号が予想されず、特に3Heを用いた検出器では低エネルギー結合がないため、信号は著しく欠落する。
• このモデルは、WIMP検出信号が陽性であった場合、OHeとWIMPsを含む多成分の暗黒物質状況を示すと予測する。