[論文レビュー] What is the Cosmological Significance of a Discovery of Wimps at Colliders or in Direct Experiments?

Jacob L. Bourjaily, Gordon Kane|ArXiv.org|Jan 28, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、コライダー実験や直接検出実験のいずれかだけでは、WIMPの発見の宇宙論的意義——特に、残存物質的または局所的ダークマター密度——を特定できないことを示している。著者らは、コライダーのデータ（WIMP-核子散乱断面積を制限するため）と直接検出のデータ（局所密度を測定するため）を組み合わせることで、実際の局所的ダークマター密度の下限を導出する手法を提示し、発見されたWIMPが宇宙のダークマターの有意な割合を占めるかどうかを評価する道筋を提供する。

ABSTRACT

Although a discovery of wimps either at colliders or in direct experiments would have enormous implications for our understanding of particle physics, it would imply less than one would like about our understanding of the dark matter in the universe or in the galactic halo: it surely is possible that the discovered particles account for only a little of the total dark matter. To establish the cosmological significance of a wimp discovery, their density must be determined. We show that data from neither hadron colliders nor direct detection experiments alone can be sufficient to determine the local or relic density of discovered wimps, even allowing all needed assumptions about cosmology and astrophysics. We provide examples of dark matter models where nearly identical detector or collider signals correspond to very different densities. We show, however, that it may be possible to determine the density of wimps by combining data from both experiments; we present a general method to do this in the case of supersymmetric dark matter, and describe how similar studies could be made for other wimp candidates.

研究の動機と目的

• 発見されたWIMPが宇宙のダークマターの有意な割合を占めるかどうかを特定するという、重要なギャップを埋めること。
• コライダーまたは直接検出実験でWIMPが発見されたからといって、自動的に宇宙論的関連性があると仮定することを挑戦すること。
• コライダーと直接検出のデータを組み合わせ、WIMPの局所的ダークマター密度を制限する手法を開発すること。
• コライダーのデータだけでは、モデル依存性や高エネルギースケールの物理が欠落しているため、残存物質的または局所的WIMP密度を特定できないことを示すこと。
• 直接検出実験では、WIMPが特定され、その結合定数が分かっている場合にのみ、局所密度を測定できることを示すこと。このためにはコライダーのデータが必要である。

提案手法

• 超対称性の破れのパターンを仮定せずに、最も一般なMSSMにおいて、WIMP-核子散乱断面積の上限をコライダーのデータから導出する。
• より多くのコライダーのデータが得られるにつれて、断面積の上限を段階的に改善する反復的手法を適用する。
• 直接検出のデータを用いて、局所的WIMP密度と散乱断面積の積を測定する。
• コライダーから得られる断面積の上限と直接検出の測定結果を組み合わせ、局所的WIMP密度の下限を導出する。
• コライダーで観測されたWIMPと直接検出で得られたWIMPの質量の一貫性を確認することで、両実験で同一の粒子が観測されていることを立証する。
• 数千のMSSMモデルを統計的アルゴリズムで生成し、多様なパラメータ空間において局所的密度の下限の頑健性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コライダーのデータだけでは、発見されたWIMPの残存物質的または局所的密度を特定できるか？
• RQ2 直接検出実験だけでは、WIMPの発見の宇宙論的意義を特定できるか？
• RQ3 コライダーと直接検出のデータを組み合わせることで、WIMPの実際の局所的ダークマター密度を制限できるか？
• RQ4 熱的凍結アウト計算が、コライダーのデータからWIMPの残存物質的密度を予測する際に抱える制限は何か？
• RQ5 コライダーで観測されたWIMPが、銀河ハローで直接検出されたものと同じ粒子であることをどのように確認できるか？

主な発見

• モデル依存性や高スケールの物理の欠落があるため、超対称的モデルでさえも、コライダーのデータだけでは、WIMPの残存物質的または局所的密度を特定できない。
• 直接検出実験では、WIMPの散乱断面積の事前知識がなければ、局所的WIMP密度を特定できない。このための情報はコライダーのデータに依存する。
• コライダーによる散乱断面積の制限と直接検出の測定結果を組み合わせることで、中性子のダークマターの局所的ダークマター密度の下限を導出できる。
• 局所的密度の下限は、数千のテストされたMSSMモデルにわたって頑健であり、コライダーのデータが増えるにつれて段階的に改善される。
• この手法は、コライダーと直接検出の信号における質量の一貫性に依存しており、両実験で同一の粒子が観測されていることを確認する。
• このアプローチは、超対称的でないWIMP候補に対しても一般化可能であり、それらの宇宙論的意義を評価するためのフレームワークを提供する。