[論文レビュー] The Physics Case for Axions, WIMPs, WISPs and Other Weird Stuff

Joerg Jaeckel|ArXiv.org|Sep 18, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、標準模型の理論的欠陥と暗黒物質・暗黒エネルギーの説得力ある天体物理学的証拠に裏付けられ、低エネルギー実験で軸状粒子、WIMPs、WISPs、およびその他の弱い相互作用を示す粒子を探索する強力な物理学的根拠を主張している。低エネルギー実験が、標準模型を超える新物理、特に隠れたセクターとローレンツ対称性の破れを、精度測定および高スケール物理の低エネルギープローブを通じて得られる補足的洞察を提供することを示している。

ABSTRACT

We argue that there exists an excellent `physics case' motivating the search for axions, WIMPs, WISPs and other phenomena testable at low energies. This physics case arises from both experimental and observational evidence as well as the desire to test theoretical model building.

研究の動機と目的

• 低エネルギー実験による軸状粒子、WIMPs、WISPs、およびその他の弱い相互作用を示す粒子を標的とする、堅固な物理学的根拠を確立すること。
• ヒエラルキー問題、強いCP問題、および重力の欠如といった標準模型の理論的欠陥を解決すること。
• 宇宙の25％を占める暗黒物質と70％を占める暗黒エネルギーの存在を、妥当な素粒子候補によって説明すること。
• 低エネルギー実験が、隠れたセクターおよび基本的対称性に関して、高エネルギー加速器とは異なった独自の補足的情報を提供することを示すこと。
• 精密な実験によるローレンツ対称性の破れやモジュライ場の探索を促進するための動機付けを提供すること。

提案手法

• 強いCP問題とヒエラルキー問題を解決する根拠として、軸状粒子とWIMPsの候補を下から上へと構築する現象論的議論の使用。
• 対称性原理の適用——軸状粒子のためのPeccei-Quinn対称性と、超対称性におけるR粒子数保存則によるWIMPsの導出。
• 低エネルギー実験技術の活用：光が壁を通り抜ける実験、軸状暗黒物質のためのキャビティ共鳴器、およびレーザーの偏光測定（例：PVLAS）。
• WISPs、隠れたU(1)ゲージボソン、および弱い結合を持つモジュライ場を予測する、弦理論にインspiredされたモデルの探求。
• 第五力実験および精密分光測定（例：水素と反水素の比較）を用いて、ローレンツ対称性の破れおよび非可換時空効果を調べること。
• 隠れたセクターと標準模型のゲージセクター間の運動的混合および質量混合を分析し、低エネルギー実験での観測可能なシグナルを予測すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軸状粒子とWIMPsが暗黒物質候補として探索される理論的および実験的動機は何ですか？
• RQ2 低エネルギー実験は、標準模型を超える物理を調べるにあたり、高エネルギー加速器とどのように補足的情報を提供しますか？
• RQ3 弦理論における隠れたセクターは、どのようにWISPsを予測し、実験的にどのように探査できますか？
• RQ4 低エネルギーの精密測定は、ローレンツ不変性といった基本的対称性をどのように探査する役割を果たしますか？
• RQ5 弦理論から得られるモジュライ場やその他の軽い粒子は、どのように低エネルギーの現象論および実験的探索に現れますか？

主な発見

• Peccei-Quinn対称性から自然に生じる軸状粒子は、強いCP問題を解決するものであり、光が壁を通り抜ける実験やキャビティ共鳴器による実験で検出可能な暗黒物質候補である。
• 超対称性から生じるWIMPsは、ヒエラルキー問題の解決策であり、宇宙の暗黒物質の残存密度と整合的であり、低エネルギー実験で直接検出可能である。
• PVLASの異常（後に撤回されたが）は、顕著な理論的および実験的活動を引き起こし、低エネルギー実験が弱い結合粒子を調べる可能性を示している。
• 弦理論は、隠れたU(1)ゲージボソンやモジュライ場を含む、WISPsの豊富なスペクトルを予測しており、運動的混合および第五力実験を通じて探索可能である。
• 弱い結合を持つ粒子を通じて、低エネルギー実験は、ストリングスケールおよびコンact化幾何学を調べることができ、根本的理論のグローバル構造に関する洞察を提供する。
• ローレンツ不変性の精密測定——例えば水素と反水素のスペクトル比較、または偏光したガンマ線バースト信号の到着時刻の比較——は、高エネルギースケールでの非可換時空効果を明らかにできる。