[논문 리뷰] A Multicomponent Dark Matter in a Model with Mirror Symmetry with Additional Charged Scalars

Mirza Satriawan|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 31.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 추가적인 전하를 가진 스칼라를 포함한 거울 대칭을 기반으로 한 다성분 암흑물질 모형을 제안한다. 여기서 거울 광자는 거울 스칼라의 비영이 아닌 진공 기대값(Vacuum Expectation Value, VEV)에 의해 큰 질량을 얻으며, 이로 인해 거울 이중전자에서 keV 스케일의 따뜻한 암흑물질 성분과 더 무거운 거울 핵자에서 온 냉각 암흑물질 성분이 생성된다. 이 모형은 거울 단일전자에서의 느린 붕괴로 인한 엔트로피 생성을 통해 초기 우주의 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN) 제약 조건을 만족하며, 냉각 암흑물질과 따뜻한 암흑물질의 비율은 힉스 및 거울 힉스 필드의 VEV 비율에 의해 결정된다.

ABSTRACT

A model with a mirror symmetry whose particles content consist of the ordinary SM particles (plus the right handed neutrinos) and their parity mirror partners, can provide a multicomponent dark matter consist of cold and warm dark matter components. I add to the original mirror model a singlet scalar and its mirror partner, whose quantum numbers are the same as the singlet right handed electron (and its mirror-partner). The new scalar can have a zero VEV, while its mirror partner VEV is non zero. As consequences mirror photon will obtain mass whose order is around the neutral mirror weak boson mass, rendering the mirror electromagnetic-like interaction similar like a mirror weak interaction. There is a mixing among the ordinary neutrinos, mirror neutrinos, the singlet and the doublet mirror electrons. As a result the mirror doublet electrons can have masses in the keV order, becoming the warm dark matter component of this model. The cold dark matter component comes from the mirror nucleons that can have mass larger than the ordinary nucleons. The Big Bang Nucleosynthesys constraint can be avoided by a large entropy production in the ordinary sector due to a slow decay of mirror singlet electrons. The temperature ratio of the two sectors is approximately proportional to the ratio of the VEV's of the ordinary and mirror Higgs, and this also will determine the cold-warm dark matter contribution to the cosmic energy density.

연구 동기 및 목표

• 우주론에서의 소규모 구조 문제를 해결하기 위해 냉각 및 따뜻한 암흑물질의 혼합 시나리오를 제안한다.
• 라이만-알파 숲 제약 조건과의 갈등을 해결하기 위해 keV 스케일의 따뜻한 성분을 도입함으로써 따뜻한 암흑물질 모형의 문제를 해결한다.
• 거울 단일전자에서의 느린 붕괴를 통해 엔트로피 생성을 가능하게 하여 초기 우주의 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN) 제약 조건을 피한다.
• 추가 스칼라 필드를 포함한 수정된 거울 모형을 통해 냉각 및 따뜻한 두 성분을 모두 포함하는 타당한 암흑물질 부문을 생성한다.
• 냉각 암흑물질과 따뜻한 암흑물질 성분의 비율이 힉스 및 거울 힉스 필드의 진공 기대값(VEV) 비율과 연결됨을 설정한다.

제안 방법

• 오른쪽 수동 전자 및 그 거울 파트너와 같은 양자수를 가진 새로운 스칼라 필드와 그 거울 파트너를 도입한다.
• 거울 스칼라에 비영이 아닌 VEV를 부여함으로써 거울 대칭을 깨며, 이로 인해 U(1)X 게이지 보손을 통해 거울 광자가 큰 질량을 얻는다.
• 결과적으로 유도된 거울 광자 질량을 통해 장거리 거울 전자기 상호작용을 억제함으로써 부울러 클러스터 관측 결과와의 갈등을 피한다.
• 일반 및 거울 중성미자, 단일전자, 거울 이중전자 간의 혼합을 통해 거울 이중전자에 keV 스케일의 질량이 부여되며, 이는 타당한 따뜻한 암흑물질 후보가 된다.
• 거울 단일전자 전자가 일반 부문으로 붕괴함으로써 엔트로피를 생성하게 하여 일반 부문의 온도가 거울 부문보다 높아지도록 한다.
• 상대론적 통계역학과 엔트로피 보존 원리를 사용하여 온도 비율과 거울 전자 질량에 따라 거울 이중전자 에너지 밀도를 온도 비율 함수로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 거울 스칼라에 비영이 아닌 VEV가 존재할 경우, 거울 광자가 큰 질량을 얻어 장거리 거울 전자기 상호작용을 억제할 수 있는가?
• RQ2 일반 및 거울 페르미온 간의 혼합이 거울 이중전자에 keV 스케일의 질량을 제공하여 타당한 따뜻한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ3 거울 단일전자 전자가 일반 부문으로 붕괴함으로써 충분한 엔트로피를 생성하여 초기 우주의 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN) 제약 조건을 충족시킬 수 있는가?
• RQ4 냉각 암흑물질과 따뜻한 암흑물질 성분의 비율은 힉스 및 거울 힉스 필드의 VEV 비율에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 거울 이중전자 기여는 총 암흑물질 에너지 밀도에 얼마나 기여하며, 관측 제약 조건과 일치하도록 조절 가능한가?

주요 결과

• 거울 스칼라의 비영이 아닌 VEV 덕분에 거울 광자는 중성 거울 움직임 보손 질량과 비슷한 크기의 큰 질량을 얻으며, 이로 인해 장거리 거울 전자기 상호작용이 억제된다.
• 단일 스칼라 및 거울 중성미자와의 혼합을 통해 거울 이중전자에 keV 스케일의 질량이 부여되며, 이는 타당한 따뜻한 암흑물질 후보가 된다.
• 모형은 온도 비율 T′/T = 0.1일 경우 Ω_E ≈ 0.5 Ω_B, T′/T = 0.2일 경우 Ω_E ≈ 4.8 Ω_B로, 온도 비율에 따라 달라지는 keV 스케일의 따뜻한 암흑물질 성분을 예측한다.
• 냉각 암흑물질 성분은 더 무거운 거울 핵자를 통해 기인하며, ξ ≈ 0.1일 경우 m_p′ ≈ 1.8 GeV로, 총 암흑물질 밀도에 크게 기여한다.
• 거울 단일전자에서 일반 부문으로의 느린 붕괴를 통해 엔트로피 생성이 가능하여 거울 부문이 일반 부문보다 더 차가운 상태를 유지할 수 있으며, 이는 초기 우주의 핵합성 제약 조건을 만족시킨다.
• 냉각 대 따뜻한 암흑물질 비율은 간접적으로 VEV 비율 ξ에 의해 결정되며, 이는 향후 힉스 혼합 또는 비활성-활성 중성미자 혼합 측정을 통해 시험 가능하다.