[論文レビュー] Why is the Dark Axion Mass $10^{-22}$ eV?

Tzihong Chiueh|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、200 GeVを超える温度で標準模型から分離する質量ゼロのゲージボソンと自己相互作用を示す軽いダークセクター粒子を含む非QCDのアキソン機構によって、観測されたダークマターのアキソン質量が約10⁻²² eVに自然に生じることを提案している。アキソンが支配的ダークマターであり、これらのダーク粒子が初期に分離するという仮定の下、モデルは1–2×10⁻²² eVのアキソン質量と約10¹⁶ GeVの崩壊定数を予測し、ダークセクターは約92–128 eVの質量を持つ片手性フェルミオンで構成されており、これは少数のダークマター成分を占める可能性がある。

ABSTRACT

Scalar field dark matter likely is able to solve all small-scale cosmology problems facing the cold dark matter (CDM), and has become an emerging contender to challenge the CDM. It however requires a particle mass $\sim 1 - 2 imes10^{-22}$eV. We find such an extremely small particle mass can naturally arise from a non-QCD axion mechanism, under fairly general assumptions that a few species of self-interacting light particles of comparable masses and a massless gauge boson decouple from the bright sector since the photon temperature exceeds 200 GeV, and the axion is the dominant dark matter. These assumptions also set the axion decay constant scale to several $ imes 10^{16}$ GeV. Given the above axion mass range, we further pin down the dark-sector particles to consist of only one species of fermion and anti-fermion, likely right-handed neutrinos. With a mass around $92-128$ eV, the dark-sector particles may constitute a minority population of dark matter. If the gauge boson lives on SU(2), a dilute instanton gas can contribute about $2.5\%$ of the total relativistic relics in the cosmic microwave background radiation.

研究の動機と目的

• コールドダークマターモデルにおける小スケール宇宙論的問題を解消するために必要な、観測されたダークマターのアキソン質量が約10⁻²² eVである理由を説明すること。
• 初期宇宙における粒子分離とダークマターの優位性という一般的な仮定の下で、この極めて軽いアキソン質量が非QCDアキソン機構から自然に生じることを示すこと。
• アキソン質量と崩壊定数の予測と整合性を持つために、ダークセクターの性質（粒子の質量と統計）を制約すること。
• ダーク放射と検出可能な信号（例：希薄なインスタントンガスから生じるCMBの相対的レリクス粒子の2.5%寄与）への影響を検討すること。

提案手法

• モデルは、アキソンが支配的ダークマターであり、自己相互作用を示す軽いダーク粒子数種と質量ゼロのゲージボソンが、光子温度が200 GeVを超える段階で可視系から分離すると仮定する。
• アキソン場の振動が3H = m_a となるコールドスタート領域で開始されることを用い、放射・物質等価点でのエネルギー密度一致からアキソン質量を導出する。
• アキソンエネルギー密度がT_eq ≈ 0.73 eVで放射エネルギー密度と一致することを条件とし、関係式 (6/5)(1/2)m_a²f_a²θ₀² = q(T_m/T_eq)³ρ_eq を用いてアキソン質量を導出する。
• ダーク粒子の対消滅過程におけるエントロピー保存を適用し、失われる自由度の数（Δg_d）とアキソンに変換されるエネルギー密度の関係を rg_d ≈ (1/3)Δg_d と結びつける。
• rg_d = O(1) を要求することでダークフェルミオンの内容を制約し、Δg_d ≈ 2 が得られ、ダークフェルミオンは右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノ（2自由度）として特定される。
• SU(2)ゲージボソンの希薄なインスタントンガスから生じるダーク放射の寄与を計算し、CMBにおける全放射の約2.5%に相当することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー場ダークマターモデルにおいて、なぜアキソン質量が他の値ではなく自然に約10⁻²² eVに落ち着くのか？
• RQ2 微調整を必要とせずに、非QCDアキソン機構がどのようにこの極めて軽い質量スケールを生成できるのか？
• RQ3 アキソン質量と崩壊定数が、ダークセクターの粒子内容と相互作用にどのような制約を課えるのか？
• RQ4 自己相互作用を示すダーク粒子の対消滅が、観測されたアキソン質量を説明できるか、また検出可能なダーク放射を予測できるか？
• RQ5 質量ゼロのゲージボソンが、アキソン生成とダーク放射への寄与において果たす役割は何か？

主な発見

• アキソン質量は1–2×10⁻²² eVの範囲に予測され、これは小スケール宇宙論におけるコア・カスプ問題と欠落した衛星問題を解消する観測と整合的である。
• アキソンの崩壊定数は約10¹⁶ GeVに予測され、これはアキソンが支配的ダークマターであり、ダークセクターが200 GeV以上で分離するという要請から生じる。
• ダークセクターは片手性フェルミオン（例：右巻きニュートリノと左巻き反ニュートリノ）で構成されており、質量は92–128 eVであり、これは少数のダークマター成分を占める可能性がある。
• モデルはCMBにおける全相対的レリクス粒子の約2.5%に相当するダーク放射寄与を予測し、これはSU(2)ゲージボソンの希薄なインスタントンガスから生じる。
• Δg_d ≈ 2 のダーク粒子の対消滅は rg_d ≈ 0.6–0.43 をもたらし、これはアキソンが主たるダークマターであり、ダークフェルミオンが2成分フェルミオンであることに整合的である。
• ダークフェルミオンがステアリングニュートリノであり、活性ニュートリノに崩壊する場合、検出可能な2光子線（約45–65 eV）が予測される。