[論文レビュー] Ultralight Repulsive Dark Matter and BEC

JiJi Fan|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、銀河内でボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を形成できる超軽量の反発的スカラー暗黒物質を検討し、5次元のゲージ化U(1)対称性を介した反発的自己相互作用の素粒子物理学的メカニズムを提案する。アキソン様モデルでは特定の条件下で反発的相互作用が得られるが、集団的対称性の破れにより過剰に強い相互作用が生じ、観測によって除外されるため、宇宙論的・天体物理学的テストに適したパラメータ空間が著しく制限されることを示している。

ABSTRACT

Ultralight scalar dark matter with mass at or below the eV scale and pressure from repulsive self-interaction could form a Bose-Einstein condensate in the early Universe and maybe in galaxies as well. It has been suggested to be a possible solution to the cusp/core problem or even to explain MOND phenomenology. In this paper, I initiate a study of possible self-interactions of ultralight scalar dark matter from the particle physics point of view. To protect its mass, the scalar dark matter is identified as a pseudo Nambu-Goldstone boson (pNGB). Quite a few pNGB models with different potentials such as the QCD axion and the dilaton lead to attractive self-interactions. Yet if an axion is a remnant of a 5D gauged U(1) symmetry, its self-interactions could be repulsive provided the masses and charges of the 5D matter contributing to its potential satisfy certain constraints. Collective symmetry breaking could also lead to a repulsive self-interaction yet with too large a strength that is ruled out by Bullet Cluster constraints. I also discuss cosmological and astrophysical constraints on ultralight repulsive dark matter in terms of a parametrization motivated by particle physics considerations.

研究の動機と目的

• 超軽量スカラー暗黒物質が反発的自己相互作用を示す可能性を素粒子物理学的視点から検討すること。
• 質量がeVスケールの擬スカラー・ニーマン・ゴールドストーン粒子（pNGB）としての暗黒物質が、反発的自己相互作用を有する現実的なモデルを構築する課題に取り組むこと。
• 5次元ゲージ化U(1)のコンパクト化といった、必要な反発的相互作用を生成するが、宇宙論的・天体物理学的制約に反しない実現可能な素粒子物理学的メカニズムを同定すること。
• 初期宇宙のダイナミクスおよび銀河の核構造の観測データを用いて、こうしたモデルのパラメータ空間を制約すること。

提案手法

• 素粒子物理学的動機に基づき、質量、三次および四次相互作用を含む有効場理論による超軽量暗黒物質のスカラー自己エネルギー項をパラメータ化する。
• 重力と反発的自己相互作用に起因する量子圧力のバランスに着目し、暗黒物質場がボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を形成する条件を分析する。
• 5次元ゲージ化U(1)ゲージ理論から生じるアキソンを用いた具体例を構築し、5次元物質場の特定の質量および電荷制約が反発的自己相互作用を生むことを示す。
• 誘導されたスカラーおよびアキソンモノドロミーといった競合モデルを評価し、これらは引力的または過剰に強い反発的相互作用を生じることを示す。
• 初期宇宙のダイナミクスおよびBulletクラスタの観測データを含む宇宙論的・天体物理学的制約を適用し、物理的に不適切なパラメータ領域を除外する。
• UV完全なモデルに由来するポテンシャルのパラメータ化を用いて、パラメータ空間の有効な領域を体系的に探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eVスケールの質量を持つ擬スカラー・ニーマン・ゴールドストーン粒子（pNGB）としての暗黒物質候補が、素粒子物理学的モデルと整合する反発的自己相互作用を示せるか？
• RQ2 ゲージ化U(1)のコンパクト化における5次元物質内容にどのような条件が課されると、4次元のアキソンに反発的自己相互作用が生じるか？
• RQ3 集団的対称性の破れモデルは反発的相互作用を生じるが、なぜそれらは除外されるのか？また、これにより結合定数にどのような制約が課されるか？
• RQ4 初期宇宙のダイナミクスおよび銀河の核構造は、BECを形成する超軽量反発的暗黒物質のパラメータ空間にどのように制約を加えるか？
• RQ5 多成分暗黒物質のシナリオは、BECを形成する超軽量反発的暗黒物質の実現可能性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 5次元ゲージ化U(1)のコンパクト化は、5次元物質場が特定の質量および電荷制約を満たす場合、反発的自己相互作用を有するアキソン様の暗黒物質候補を生成でき、これは物理的に実現可能な素粒子物理学的実装を提供する。
• 誘導されたスカラーおよびアキソンモノドロミーといったモデルは、一般的に引力的または過剰に強い反発的自己相互作用を生じるため、観測的制約に反する。
• 集団的対称性の破れは反発的相互作用を生じるが、その結合定数は大きすぎるため、Bulletクラスタの観測によって除外される。
• 超軽量反発的暗黒物質のパラメータ空間は、初期宇宙の進化および銀河の核プロファイルの観測データによって顕著に制限されている。
• 本研究では、反発的自己相互作用が理論的に動機付けられるとともに観測的に整合する、特定の5次元U(1)アキソン実装の狭い有効なモデル領域を同定した。
• 今後の超軽量暗黒物質の探索は、弱い結合で反発的自己相互作用を有するモデル、特に制御されたUV完全性を持つ高次元ゲージ理論から生じるモデルに焦点を当てるべきである。