[論文レビュー] The origin of dark matter, matter-anti-matter asymmetry, and inflation

Anupam Mazumdar|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2011

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、超対称性（SUSY）モデル、特にMSSMにおいて、初期宇宙におけるインフレーション、バリオジェネシス、およびダークマター生成を統一的に説明するフレームワークを提示する。インフレートンの崩壊が、バリオン、ダークマター（例：ニュートラリノ）の正しい残存密度と熱的バスト状態を同時に生成できることを示し、CMB、直接的・間接的ダークマター検出、およびコライダー実験による検証可能性を有する予測を提示する。

ABSTRACT

A rapid phase of accelerated expansion in the early universe, known as inflation, dilutes all matter except the vacuum induced quantum fluctuations. These are responsible for seeding the initial perturbations in the baryonic matter, the non-baryonic dark matter and the observed temperature anisotropy in the cosmic microwave background (CMB) radiation. To explain the universe observed today, the end of inflation must also excite a thermal bath filled with baryons, an amount of baryon asymmetry, and dark matter. We review the current understanding of inflation, dark matter, mechanisms for generating matter-anti-matter asymmetry, and the prospects for testing them at ground and space based experiments.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた、テスト可能な素粒子理論フレームワーク内で、インフレーション、物質-反物質非対称性、ダークマターの起源を統合すること。
• インフレートンが標準模型（SM）粒子に崩壊し、バリオン非対称性とダークマターの残存密度を生成できる、特にMSSM内での実現可能なメカニズムを同定すること。
• インフレーションのダイナミクスを観測可能なCMB非一様性と結びつけ、ビッグバン核合成および電弱対称性の spontaneously broken と整合する再加熱温度 $T_R$ を予測すること。
• ニュートラリノなどのWIMPダークマター候補の妥当性を評価し、直接的・間接的・コライダー探索による検出可能性を検討すること。
• 熱的および非熱的ダークマター生成の整合性を評価し、ソルマーフェルト増幅や崩壊的ダークマターを含む状況を含むこと。

提案手法

• CMBデータと整合するゲージ不変なインフレーションポテンシャルを構築するため、最小超対称標準模型（MSSM）および超対称重力（SUGRA）拡張を用いる。
• 再加熱とプリヘーティングの形式的取り扱いを用い、インフレートンのコherent振動とMSSM自由度への崩壊から再加熱温度 $T_R$ を計算する。
• 熱的および非熱的残存密度計算を用い、共凝縮および非熱的生成効果を含めたWIMPダークマター密度を決定する。
• SUSY拡張内での電弱バリオジェネシス、熱的レプトゲネシス、およびアフレック＝ダインメカニズムなどのバリオジェネシスメカニズムを分析する。
• ガンマ線スペクトル（例：Fermi-LAT）、陽電子過剰（PAMELA）、およびWIMP対消滅からのモノクロム線の可能性を含めた間接的検出信号を評価する。
• GALPROPなどの数値ツールを用い、通常の宇宙線源からの分離を可能にするために、天体物理学的背景をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのSUSYベースのモデルが、同時にインフレーション、バリオジェネシス、観測されたダークマター残存密度を説明できるか？
• RQ2 成功した再加熱とバリオン・ダークマターの正しい残存密度を実現するためのインフレートンの結合定数および質量に課される制約は何か？
• RQ3 非熱的および熱的WIMP生成メカニズムが予測されるダークマター密度および検出可能性に与える影響は何か？
• RQ4 PAMELAの陽電子過剰およびATICの電子バンプは、ソルマーフェルト増幅を伴うWIMP対消滅でどの程度説明可能か？
• RQ5 ガンマ線、ニュートリノ、直接検出実験におけるWIMPダークマターの観測的シグナルは何か？また、それらを天体物理学的背景からどのように分離できるか？

主な発見

• MSSMはインフレーションを埋め込むための実現可能なプラットフォームを提供する。平坦な方向とゲージ不変なインフレートンは、CMBが予測するスカラー摂動を生成可能である。
• 熱的残存密度計算により、MSSM内のニュートラリノが、$\Omega_{\text{DM}} h^2 \approx 0.12$ の正しいダークマター残存密度に達することが示された。
• MSSMモデルでは、インフレーション後の再加熱温度 $T_R$ は $\sim 10^9 - 10^{12}$ GeV の範囲に制限され、ビッグバン核合成および電弱対称性の spontaneously broken と整合的である。
• PAMELAの陽電子過剰およびATICの電子バンプは、微調整を伴わなければWIMPでは明確に説明できないが、MonogemやGemingaなどの近接のパulsarによって説明可能である可能性がある。
• 500–900 GeVのWIMPが過剰を説明するためには、$\langle\sigma v\rangle \sim 10^{-24}~{\rm cm^2}$ のソルマーフェルト増幅が必要であり、これはレプチフィリックまたは軽量ボソン媒介の相互作用を示唆する。
• Fermi-LATによる銀河中心からのガンマ線ライン信号は観測されておらず、WIMP対消滅が $\gamma\gamma$ や $\gamma Z$ 終状態に至る場合の上限が強く制限されている。