[論文レビュー] The missing matter problem: from the dark matter search to alternative hypotheses

Salvatore Capozzıello, L. Consiglio+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本レビューでは、宇宙線観測から素粒子物理学的候補、および代替重力理論に至るまで、暗黒物質問題を統合的に検討し、欠落した物質と宇宙の加速膨張が、新規粒子ではなく、大スケールにおける一般相対性理論の修正に起因する可能性を提唱する。直接的・間接的・加速器実験による検出手法を評価し、$f(R)$重力理論が理論的に観測された散乱を伴うバリオン的Tully-Fisher関係を再現できることを示している。

ABSTRACT

Dark matter is among the most important open problems in both astrophysics and particle physics. We review the status of art of dark matter search at theoretical and experimental level discussing also alternative hypotheses.

研究の動機と目的

• 幅広いスケールにわたる、暗黒物質（DM）および暗黒エネルギー（DE）に関する現在の宇宙物理学的および素粒子物理学的証拠を統合すること。
• 弱い相互作用を示す大質量粒子（WIMPs）、超対称性（SUSY）、余剰次元がDM候補として妥当であるかを評価すること。
• 特に$f(R)$理論を含む拡張重力理論（ETG）を用いた、欠落物質問題の代替的説明を検討すること。
• $f(R)$重力がバリオン的Tully-Fisher関係（BTF）のような実験的関係とどのように整合するかを評価すること。

提案手法

• CMB（WMAP、Planck）、弱および強レンズ効果、銀河回転曲線、およびクラスタの力学的挙動（例：バブルクラスタ）からの観測データの分析。
• 直接検出、間接検出（PAMELA、Fermi-LAT）、および加速器探索（LHC、Tevatron）によるWIMPs、ニュートラリノ、Kaluza-Klein粒子などの素粒子物理学的候補の評価。
• virial速度$V_{\text{flat}}$とバリオン質量$M_b$を用いて、$f(R)$重力モデルを適用し、バリオン的Tully-Fisher関係（BTF）の理論的予測を導出すること。
• 理論的BTF関係$\log{M_b} = (2.88 \pm 0.04)\log{V_{\text{flat}}} + (4.14 \pm 0.09)$と観測データ$\log{M_b} = (2.98 \pm 0.29)\log{V_{\text{flat}}} + (3.37 \pm 0.13)$の比較。
• 気体成分を無視した場合の有効ホール質量近似を用いた$f(R)$重力における処理。
• 気体質量比$M_g/M_d$がBTF関係のゼロポイントに与える影響を評価し、系統的オフセットを補正すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $f(R)$重力が暗黒物質を仮定せず、実験的バリオン的Tully-Fisher関係を再現できるか？
• RQ2 $f(R)$重力モデルにおける理論的予測と観測されたBTF関係の勾配およびゼロポイントは、どのように比較されるか？
• RQ3 無視された気体成分が、修正重力理論におけるBTF関係の理論的予測にどの程度影響を及えるか？
• RQ4 拡張重力理論（ETG）は、暗黒物質および暗黒エネルギー現象の両方を説明する役割を果たすか？
• RQ5 暗黒物質粒子の直接検出が得られていないことは、大スケールにおける一般相対性理論の破綻によって説明可能か？

主な発見

• $f(R)$重力で導かれた理論的BTF関係は$\log{M_b} = (2.88 \pm 0.04)\log{V_{\text{flat}}} + (4.14 \pm 0.09)$であり、観測された勾配と良好に一致している。
• 観測されたBTF関係は$\log{M_b} = (2.98 \pm 0.29)\log{V_{\text{flat}}} + (3.37 \pm 0.13)$であり、理論的予測と同程度の散乱を示している。
• 理論と観測のゼロポイントの乖離は、有効ホール質量近似において気体成分を無視したことに起因するとされる。
• 気体質量を含めることで、有効ホール質量と$V_{\text{vir}}$が増加し、ゼロポイントが上方にシフトし、観測とより一致するようになる。
• 結果は、$f(R)$重力が暗黒物質を仮定せずBTF関係を説明する有効な理論的枠組みであることを支持している。
• 本研究は、新規粒子を仮定せず、バリオン物質と背景重力のみを用いて宇宙力学を説明する、単一の根本的理論が成立しうることを示唆している。