[논문 리뷰] Asymmetric Matters from a Dark First-Order Phase Transition

E. Hall, Thomas Konstandin외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 76인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 어두운 SU(3)′×SU(2)′×U(1)′ 섹터에서 두 개의 힉스 두중우와 표준모형 유사 물질을 포함하는, 최소성이고 재규격화 가능한 모형을 제안한다. 여기서 양성자 및 어둠의 물질 비대칭은 1차 상전이에서 기인한다. 어둠의 양성자 비대칭은 오른쪽 수소 중성자 포털과 스팔레론 과정을 통해 표준모형으로 전달되며, 이로 인해 기하학적 스케일의 어둠의 하드론—1.36 또는 1.63 GeV인 어둠의 반중성자 또는 어둠의 반프로톤과 파이 메손의 조합—이 비대칭 어둠의 물질로 남는다. 이러한 어둠의 물질은 직접 탐지 및 어둠의 포톤 실험에서 매우 검증 가능하다.

ABSTRACT

We introduce a model for matters-genesis in which both the baryonic and dark matter asymmetries originate from a first-order phase transition in a dark sector with an $SU(3) imes SU(2) imes U(1)$ gauge group and minimal matter content. In the simplest scenario, we predict that dark matter is a dark antineutron with mass either $m_{\bar{n}} = 1.36$ GeV or $m_{\bar{n}} = 1.63$ GeV. Alternatively, dark matter may be comprised of equal numbers of dark antiprotons and pions. This model, in either scenario, is highly discoverable through both dark matter direct detection and dark photon search experiments. The strong dark matter self interactions may ameliorate small-scale structure problems, while the strongly first-order phase transition may be confirmed at future gravitational wave observatories.

연구 동기 및 목표

• 단일 메커니즘을 통해 최소성이고 재규격화 가능한 어둠의 섹터에서 바리온 비대칭과 어둠의 물질 밀도의 기원을 설명한다.
• 강한 어둠의 하드론 상호작용으로 인한 속도 의존성 어둠의 물질 자가상호작용을 통해 소규모 구조 문제를 해결한다.
• 미래의 중력파 관측소와 직접 탐지 실험을 위한 검증 가능한 프레임워크를 제공한다.
• 중성자 포털과 표준모형 스팔레론 과정을 통해 바리온과 어둠의 물질 비대칭을 통합함으로써 고차원 연산자에 의존하지 않도록 한다.

제안 방법

• SU(3)′×SU(2)′×U(1)′ 게이지 대칭, 두 개의 힉스 두중우, 오른쪽 수소 중성자 싱เก트를 포함하는 어둠의 섹터를 도입한다.
• 강한 1차 상전이 동안 두 개의 힉스 두중우 메커니즘을 통해 어둠의 섹터에서 전자약 바리온 생성을 시행한다.
• 중성자 포털 결합(Yn, yN)을 사용해 어둠의 렙톤 비대칭을 표준모형과 연결하고, 표준모형 스팔레론을 통해 전달 가능하게 한다.
• 대칭 어둠의 하드론이 질량이 큰 어둠의 포톤으로 상호작용하면서 남는 비대칭 성분을 어둠의 물질로 모델링한다.
• 어둠의 U(1)′ 포톤과 표준모형 하이퍼전하 간의 운동 에너지 혼합을 포함하여 어둠의 포톤이 표준모형 상태로 붕괴하도록 한다.
• 재규격화 가능한 결합을 사용하고 어둠의 중성자가 표준모형 스팔레론 동결 이후 붕괴한다고 가정하여 최종 바리온 및 렙톤 비대칭을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠의 SU(3)′×SU(2)′×U(1)′ 섹터에서 강한 1차 상전이가 최소성이고 재규격화 가능한 메커니즘을 통해 바리온 비대칭과 어둠의 물질 비대칭을 동시에 생성할 수 있는가?
• RQ2 어둠의 렙톤 비대칭은 고차원 연산자에 의존하지 않고 어떻게 표준모형 섹터로 전달되어 관측된 바리온 비대칭을 생성할 수 있는가?
• RQ3 이 모형에서 가능한 어둠의 물질 후보는 무엇이며, 그 질량과 상호작용은 검출 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모형은 향후 LISA나 BBO와 같은 관측소에서 검출 가능한 중력파 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ5 결과적으로 기하학적 스케일의 어둠의 하드론은 소규모 구조 문제를 해결할 수 있는 정도의 속도 의존성 산란 단면적을 자연스럽게 생성하는가?

주요 결과

• 모형은 두 가지 가능한 어둠의 물질 후보를 예측한다: 질량 m¯n = 1.36 GeV 또는 m¯n = 1.63 GeV인 어둠의 반중성자.
• 다른 가능성으로, 어둠의 반프로톤과 어둠의 파이 메손이 동일한 수의 비율로 존재할 수 있으며, 모두 기하학적 스케일의 질량을 가진다.
• 어둠의 중성자가 표준모형 스팔레론 분리 이후 붕괴할 경우, 최종 표준모형 바리온 비대칭은 B = −36/133B′로 예측된다.
• 모형은 1차 상전이에서 기인하는 중력파 신호를 생성하며, 향후 LISA, BBO, DECIGO와 같은 관측소에서 검출 가능할 수 있다.
• 기하학적 스케일의 어둠의 하드론은 소규모 구조 문제를 완화하는 데 필요한 스케일에서 자연스럽게 속도 의존성 산란 단면적을 생성하는 강한 자가상호작용을 가진다.
• 이 모형은 매우 검증 가능하다: 어둠의 물질 직접 탐지 실험과 어둠의 포톤 탐색(예: NA64, FASER, LHCb)은 예측된 매개변수 공간을 탐사할 수 있다.