[論文レビュー] The long-lived stau as a thermal relic

Josef Pradler|ArXiv.org|Sep 18, 2009

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies参考文献 209被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ニュートリノが最軽い超対称粒子（LSP）である重力ソ粒子の超対称モデルにおいて、長寿命なストー（τ̃₁）の熱的残存密度を調査している。主なメカニズムとして、ストーがヒッグス粒子へと消失する過程と、重いCP偶性ヒッグス粒子（H⁰）を介するsチャネル共鳴消失の2つが特定され、これらによりストーの熱的残存密度が10⁻¹⁵未満にまで低下することが示された。これにより、Catalyzed ⁶Liおよび⁹Be生成に起因するきびしいビッグバン核合成（BBN）制約を回避できる。この結果、再加熱温度が10⁹ GeVに達するまで、宇宙論的に妥当な重力ソ粒子ダークマターのシナリオが可能となる。

ABSTRACT

We consider physics beyond the Standard Model in which a long-lived electromagnetically charged massive particle species (CHAMP) appears. We discuss the unique sensitivity the early Universe exhibits on the mere presence and on the decay of such a particle. A CHAMP can be realized in supersymmetric extensions of the Standard Model. We carry out a detailed study of gravitino dark matter scenarios in which the lighter stau is the lightest Standard Model superpartner and thus the CHAMP. Particularly stringent constraints on the gravitino-stau scenario arise from the thermal catalysis of primordial nucleosynthesis reactions. This motivates a thorough investigation of the thermal freeze-out process of the long-lived stau. There, we show that even the most stringent cosmological constraints can potentially be evaded.

研究の動機と目的

• 長寿命なストー（τ̃₁）の熱的残存密度が、Catalyzed ⁶Liおよび⁹Be生成に起因するきびしいビッグバン核合成（BBN）制約を満たすかどうかを特定すること。
• ストーがヒッグス粒子へと消失する過程および共鳴的H⁰交換が、τ̃₁の熱的残存密度に与える影響を調査すること。
• 標準的な宇宙論的歴史および高再加熱温度下での、長寿命なストーNLSPを伴う重力ソ粒子ダークマターのシナリオの妥当性を評価すること。
• 将来のコライダー実験で検証可能な、例えばILCにおけるヒッグスストラーレンスやLHCにおけるb̄bH⁰連携生成といった、ストー–ヒッグス結合メカニズムをテストする可能性のあるコライダーの特徴を同定すること。
• 制限付き最小超対称標準模型（CMSSM）が、小さなストオー残存密度と宇宙論的に妥当なダークマターを同時に満たすことができるかどうかを調査すること。

提案手法

• ストーの熱的残存密度が混合角θτ̃およびヒッグス系のパラメータにどのように依存するかを体系的に調査するため、MSSMの有効低エネルギー版を用いた。
• 原始プラズマからのストーの化学的脱結合をモデル化するため、ボルツマン方程式の完全なセットを解いた。
• ヒッグス粒子交換（h⁰h⁰、h⁰H⁰、H⁰H⁰）によるストオー消失断面積と、重いCP偶性ヒッグス粒子H⁰を介するsチャネル共鳴消失断面積を計算した。
• BBN中のクーロン停止および束縛状態形成率の精密な取り扱いを組み込み、陽子や中性子の核合成促進効果を評価した。
• 負に帯電したストオー（X⁻）による核合成促進に起因する⁶Liおよび⁹Beの過剰生成による制約を評価した。
• 将来のコライダー実験による検証可能性を評価し、ILCにおけるヒッグスストラーレンスやLHCにおけるb̄bH⁰連携生成の測定を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長寿命ストオーの熱的残存密度は、Catalyzed ⁶Liおよび⁹Be生成に起因するBBN制約を満たすほど十分に低下するか？
• RQ2 ストオー–ヒッグス結合およびヒッグス交換が、CMSSMにおけるストオーの熱的残存密度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 重いCP偶性ヒッグス粒子H⁰を介する共鳴的ストオー消失は、ストオー残存密度をどの程度低減させるか？
• RQ4 CMSSMは、小さなストオー残存密度と、熱的レプトゲネシスに整合する高再加熱温度を同時に満たすことができるか？
• RQ5 ストオー残存密度を低減するメカニズムを実験的に探査するためのコライダーの特徴は何か？

主な発見

• ストオーがヒッグス粒子（h⁰h⁰、h⁰H⁰、H⁰H⁰）へと消失することで、ストオーの熱的残存密度Yτ̃₁decは10⁻¹⁵未満にまで低下し得る。特にtanβが大きく、|μ|またはAτパラメータが大きい領域で顕著である。
• 重いCP偶性ヒッグス粒子H⁰を介するsチャネル共鳴消失（2mτ̃₁ ≈ mH⁰のとき）も、中性子のヒッグスファンネル機構に類似した形で、残存密度を10⁻¹⁵未満にまで低下させる。
• これらの低減メカニズムはストオーの混合（θτ̃）およびヒッグス系に依存し、tanβが大きく、三重項結合が強い領域で顕著になる。
• CMSSMでは、これらの2つの低減メカニズムが、(m₁/₂, m₀)平面の異なる領域で同時に作用し、Yτ̃₁dec ≈ 2×10⁻¹⁵を達成できる。
• 小さな残存密度のおかげで、再加熱温度が10⁹ GeVに達するまで、宇宙論的に妥当な重力ソ粒子ダークマターのシナリオが可能であり、熱的レプトゲネシスとも整合する。
• 将来のコライダー、例えばILCやLHCは、e⁺e⁻衝突におけるヒッグスストラーレンスや、b̄bH⁰連携生成の測定によって、このメカニズムを実験的に探査できる。