[論文レビュー] Two component dark matter

Malcolm Fairbairn, Jure Zupan|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 27

ひとこと要約

本稿では、10⁻⁸秒後に崩壊するメタ安定なダークマター粒子（χ₂）と、観測されたダークマターを構成する安定なダークマター粒子（χ₁）からなる二成分ダークマター（2DM）モデルを提案する。このモデルは、局所的なダークマター密度の急増を必要とせず、初期宇宙における散乱断面積の増大によって大きなブースト因子を達成することで、PAMELAの正電子過剰とATIC/PPB-BETSの電子・正電子データを説明する。モデルのパラメータと加速器でのシグネチャについても議論される。

ABSTRACT

We explain the PAMELA positron excess and the PPB-BETS/ATIC e+ + e- data using a simple two component dark matter model (2DM). The two particle species in the dark matter sector are assumed to be in thermal equilibrium in the early universe. While one particle is stable and is the present day dark matter, the second one is metastable and decays after the universe is 10^-8 s old. In this model it is simple to accommodate the large boost factors required to explain the PAMELA positron excess without the need for large spikes in the local dark matter density. We provide the constraints on the parameters of the model and comment on possible signals at future colliders.

研究の動機と目的

• 局所的ダークマターの小スケール構造などの天体物理学的増幅を必要とせず、PAMELAの正電子過剰とATIC/PPB-BETSの電子・正電子データを説明すること。
• 安定な粒子（χ₁）と10⁻⁸秒後に崩壊するメタ安定な粒子（χ₂）からなるシンプルな二成分ダークマターモデルを構築すること。
• 不自然な局所的ダークマター密度の増大やプランクスケールの物理を必要とせず、正電子生成のための大きなブースト因子を達成すること。
• 崩壊幅と結合スケールを含むモデルのパラメータに対する制約を導出し、将来の加速器で観測可能なシグネチャを同定すること。

提案手法

• 初期宇宙において熱平衡にあったメタ安定なχ₂と安定なχ₁の二つのダークマター粒子を導入。χ₂はt ≈ 10⁻⁸ s後に崩壊する。
• 有効場理論のオペレーターを用いてχ₂が標準模型（SM）粒子に崩壊する過程を記述し、崩壊幅はΓ₂ ≈ m₂³/(16πΛ²)で与えられる。
• Big Bang Nucleosynthesis（BBN）制約を満たすためにτ₂ < 1 sとし、Λに対する上界を導出する。
• ブースト因子B ≡ (⟨σₐv⟩ρ_DM²)/(⟨σₐv⟩_F ρ̄_DM²)を導出し、初期宇宙における散乱断面積の増大によって大きなBが実現可能であることを示す。
• モデルの物性的性質を分析し、χ₁とχ₂の量子数に依存する加速器での可能性のあるシグネチャ（例：χ₂ → χ₁ + SM粒子）を検討する。
• 熱的な残り粒子密度の条件を用いて、χ₂の冷凍期における散乱断面積と観測されたダークマター密度を関係づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的ダークマター密度の急増を必要とせず、二成分ダークマターモデルがPAMELAの正電子過剰とATIC/PPB-BETSの電子・正電子過剰を説明できるか？
• RQ2 必要なブースト因子を達成するためのメタ安定ダークマター粒子χ₂の質量階層と崩壊幅に必要な条件は何か？
• RQ3 χ₂の遅延崩壊を許容しつつ、ビッグバン核合成（BBN）などの宇宙論的制約を満たすにはどうすればよいか？
• RQ4 メタ安定なχ₂粒子の特徴的な加速器シグネチャは何か？そして、将来の加速器でどのように探査可能か？
• RQ5 観測されたダークマターの残り密度と、宇宙線の異常を説明するために必要な大きなブースト因子を、このモデルが両立できるか？

主な発見

• 1 TeVのダークマター粒子に対して、局所的密度の急増を必要とせず、初期宇宙における散乱断面積の増大によってB ∼ 10³の大きなブースト因子を達成できる。
• 必要な結合スケールΛは、Λ ≳ 10¹² GeV × (B/10³)¹ᐟ² × (m₂/1 TeV)¹ᐟ²と制限され、τ₂ < 1 sの条件下でΛ < 5×10¹⁵ GeVの上界が得られる。
• モデルは、see-sawスケール（∼10¹⁵ GeV）を含む広い結合スケールの範囲を許容し、PAMELAで観測されたレプトンのみの信号と整合する。
• メタ安定なχ₂粒子は加速器でしきい値付近で生成され、可視的崩壊を示す可能性があり、そのシグネチャはχ₁とχ₂の量子数に依存する（例：χ₂ → χ₁ν または χ₂ → χ₁⁺χ₁⁻）。
• プランクスケールで抑制された相互作用を必要とせず、ニュートリノの重力的効果やモジュールス粒子を含むシナリオとは異なり、将来の加速器で検証可能な物理学を提供する。
• 標準的な熱的残り密度関係を緩和し、二段階のダークマター生成メカニズムにより、大きなブースト因子を実現可能にする。