[논문 리뷰] A Unified Theory of Matter Genesis: Asymmetric Freeze-In

Lawrence J. Hall, John March-Russell외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 10. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 44인용 수 40

한 줄 요약

이 논문은 열적 프리즈인을 통한 어둠의 물질(DM) 생성과 양성자 생성을 통합하는 메커니즘을 제안한다. 여기서 가시세계와 은폐세계 사이의 미약한 상호작용이 CP 위반 붕괴를 통해 연관된 양성자 수와 DM 수 비대칭을 생성한다. 이 모델은 정밀 조정이 필요 없이 관측된 DM 대 양성자 밀도 비율($\Omega_d/\Omega_b \approx 4.86$)을 설명하며, 고체 입자, 이격된 층, 그리고 충돌기에서 상관된 전기 dipole 모멘트(EDM)와 같은 검증 가능한 서명을 예측한다.

ABSTRACT

We propose a unified theory of dark matter (DM) genesis and baryogenesis. It explains the observed link between the DM density and the baryon density, and is fully testable by a combination of collider experiments and precision tests. Our theory utilises the "thermal freeze-in" mechanism of DM production, generating particle anti-particle asymmetries in decays from visible to hidden sectors. Calculable, linked, asymmetries in baryon number and DM number are produced by the feeble interaction mediating between the two sectors, while the out-of-equilibrium condition necessary for baryogenesis is provided by the different temperatures of the visible and hidden sectors. An illustrative model is presented where the visible sector is the MSSM, with the relevant CP violation arising from phases in the gaugino and Higgsino masses, and both asymmetries are generated at temperatures of order 100 GeV. Experimental signals of this mechanism can be spectacular, including: long-lived metastable states late decaying at the LHC; apparent baryon-number or lepton-number violating signatures associated with these highly displaced vertices; EDM signals correlated with the observed decay lifetimes and within reach of planned experiments; and a prediction for the mass of the dark matter particle that is sensitive to the spectrum of the visible sector and the nature of the electroweak phase transition.

연구 동기 및 목표

• 관측된 어둠의 물질과 양성자 잔여 밀도 비율($\\Omega_d/\\Omega_b \approx 4.86$)의 공진을 표준 모델이 정밀 조정 없이 설명하지 못하는 이유를 설명하기 위해.
• 독립적이고 분리된 생성 과정을 피하기 위해, 하나의 메커니즘으로 양성자 생성과 어둠의 물질 생성을 통합하기 위해.
• 고에너지 스케일 물리학이나 재열 온도에 대한 불확실성 없이, 완전히 계산 가능한 검증 가능한 프레임워크를 제안하기 위해.
• 장수 기간의 안정된 입자와 연관된 전기 dipole 모멘트(EDM)와 같은 특징적인 관측 가능한 서명을 식별하기 위해.

제안 방법

• 열적 프리즈인 메커니즘을 활용하여, DM과 양성자 비대칭이 가시세계에서 은폐세계로의 미약한 붕괴를 통해 생성되며, $Z_2$-홀드 안정성으로 인해 발생한다.
• MSSM 내에서 가우지노와 힉스ино 질량의 위상으로 CP 위반을 도입하여, 양성자 수와 DM 수의 비대칭 생성을 가능하게 한다.
• 양성자 생성에 필요한 비평형 조건을 충족시키기 위해, 가시세계와 은폐세계 간의 온도 차이를 이용한다.
• 자기 밀도와 양성자 밀도의 잔여 밀도를 프리즈인 수확 공식 $Y_X = C_{FI} \frac{M_{Pl} \Gamma}{m_B^2}$ 를 사용하여 유도한다. 여기서 $C_{FI}$ 는 자유도와 결합 상수에 따라 달라진다.
• 은폐세계를 $T_{X,i}$ 온도로 동결된 이후의 상태로 모델링하며, $T_{X,i}/T_{\rm{vis}} \propto (\epsilon)^{-1/4}$ 를 만족한다. 여기서 $\epsilon$ 은 결합 강도이다.
• LHC에서 장수 기간의 은폐세계 상태(LOSP)의 늦은 붕괴를 예측하며, 붕괴 온도 $T_{\rm{decay}}^{\rm{vis}} \propto m_{\rm{LOSP}}^{1/2} \lambda g_*^{1/4}$ 를 통해 이격된 층과 명백한 $B$-또는 $L$-수 위반 현상을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정밀 조정 없이 하나의 메커니즘이 관측된 양성자 비대칭과 어둠의 물질 잔여 밀도를 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 관측된 공진 $\Omega_d/\Omega_b \approx 4.86$ 는 통합된 계산 가능한 프레임워크 내에서 어떻게 설명될 수 있는가?
• RQ3 열적 프리즈인을 통해 연관된 비대칭을 생성하는 미약한 상호작용을 갖는 은폐세계의 충돌기 및 정밀 측정 서명은 무엇인가?
• RQ4 고에너지 스케일 역학이 아닌, 가시세계와 은폐세계 간의 온도 차이를 통해 양성자 생성에 필요한 비평형 조건을 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 장수 기간의 안정된 입자의 늦은 붕괴는 LHC 탐색과 초기 우주의 핵합성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CP 위반 붕괴를 통해 가시세계에서 은폐세계로의 전이를 통해 연관된 양성자 수와 어둠의 물질 비대칭이 생성되며, 어둠의 물질 잔여 밀도는 $\Omega_X h^2 \propto \frac{m_X \Gamma}{m_B^2}$ 로 주어진다. 여기서 $\Gamma$ 는 붕괴율이다.
• 은폐세계는 프리즈인 동안 가열되며, $T_{X,i}/T_{\rm{vis}} \simeq 0.05 (10^{-3}/\epsilon)^{1/4} (10/g_X)^{1/4} (g_*/100)^{1/4}$ 를 만족한다. 이는 은폐세계가 여전히 비평형 상태를 유지함을 보장한다.
• LOSP의 붕괴 온도는 $T_{\rm{decay}}^{\rm{vis}} \simeq 15.5\,{\rm GeV} \left(\frac{m_{\rm{LOSP}}}{100\,{\rm GeV}}\right)^{1/2} \lambda (g_*/100)^{1/4}$ 로, LHC에서 감지 가능한 이격된 층을 유도한다.
• 붕괴 시 은폐세계의 온도는 $T_{X\rm{LOSP-decay}} \simeq 770\,{\rm MeV} \left(\frac{m_{\rm{LOSP}}}{100\,{\rm GeV}}\right)^{1/2} \lambda (10^{-3}/\epsilon)^{1/4} (g_X/10)^{1/4}$ 로, 일반적인 은폐세계의 동결 온도보다 높아, 대칭적인 DM이 상호작용을 통해 소멸됨을 보장한다.
• 이 모델은 붕괴 수명과 질량이 향후 실험에 도달 가능한 범위 내에 있는 상관된 전기 dipole 모멘트(EDM)를 예측하며, CP 위반 위상의 직접적 검증을 제공한다.
• 은폐세계 상태의 $X$-세계 상태가 다시 가시세계로 붕괴하는 늦은 붕괴는 초기 우주의 핵합성 예측을 변화시킬 수 있으며, 추가적인 천체물리적 제약 조건을 제공한다.