[논문 리뷰] Gravitino Dark Matter with Broken R-parity

Alejandro Ibarra|ArXiv.org|2007. 10. 11.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 약간의 R-대칭 위반을 수반하는 타당한 중성미자 어두운 물질 시나리오를 제안한다. 여기서 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)는 초기 우주의 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN) 이전에 붕괴되어 천체물리적 갈등을 피한다. 이 모델은 중성미자 어두운 물질이 되기에 충분히 오래 지속되는 동안, NLSP가 나노초 내에 붕괴되도록 하는 크기의 R-대칭 위반 결합 상수를 생성한다. 이 상수의 크기는 $10^{-14}$에서 $10^{-7}$ 사이이며, 열적 렙토제네시스와 관측 제약 조건과도 일치한다.

ABSTRACT

Scenarios with gravitino dark matter face potential cosmological problems induced by the presence of the Next-to-Lightest Supersymmetric Particle (NLSP) at the time of Big Bang Nucleosynthesis (BBN). A very simple, albeit radical, solution to avoid all these problems consists on assuming that R-parity is slightly violated, since in this case the NLSP decays well before the onset of BBN. Remarkably, even if the gravitino is no longer stable in this scenario, it still constitutes a very promising dark matter candidate. In this talk we review the motivations for this scenario and we present a model that naturally generates R-parity breaking parameters of the right size to produce a consistent thermal history of the Universe, while satisfying at the same time all the laboratory and cosmological bounds on R-parity breaking. We also discuss possible signatures of this scenario at gamma ray observatories and at colliders.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주의 핵합성(Big Bang Nucleosynthesis, BBN) 동안 장수하는 NLSP로 인한 천체물리적 문제를 해결하기 위해.
• R-대칭이 약간 위반되더라도 NLSP가 BBN 이전에 붕괴된다면 중성미자 어두운 물질이 유지될 수 있음을 보여주기 위해.
• 천체물리적 및 실험적 제약 조건과 일치하는 $10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$ 범위의 자연스러운 R-대칭 위반 결합 상수를 생성하는 모델을 구축하기 위해.
• 감마선 관측과 향후 고에너지 물리 실험에서 붕괴하는 중성미자 어두운 물질의 관측 가능 신호를 식별하기 위해.

제안 방법

• R-대칭 위반을 $\lambda_{ijk}$, $\lambda'_{ijk}$, $\lambda''_{ijk}$ 결합 상수를 통해 구현함으로써 NLSP의 붕괴 수명이 약 수나노초에서 수초 수준이 되도록 하여 BBN의 붕괴를 방지하는 메커니즘을 제안한다.
• R-대칭 위반을 B-L 게이지 대칭의 붕괴와 연결하는 모델을 사용하여, 필요한 작은 R-대칭 위반 상수를 자연스럽게 생성한다.
• 전자약 대칭 전이 이전에 R-대칭 위반 상수가 열적 평형에서 벗어나 있어야 하며, 그렇지 않으면 양성자 비대칭이 소실될 수 있음을 고려한다.
• 중성미자 붕괴 수명을 계산하여, 감마선 스펙트럼의 연속적 성분과 가능한 선 성분을 도출한다. 공식은 $\tau_{3/2} \sim 10^{26}~{\rm s} \cdot (\lambda/10^{-7})^{-2} (m_{3/2}/10~{\rm GeV})^{-3}$ 이다.
• collider에서 NLSP의 붕괴 길이를 추정한다: 스터우 NLSP의 경우 $c\tau \sim 30~{\rm cm}$, 중성미자 NLSP의 경우 $\sim 1~{\rm m}$이며, 이는 이격된 병합점 신호를 가능하게 한다.
• 예측된 감마선 스펙트럼(은하수 및 간행성 외부)을 EGRET 데이터와 비교하여 배경 플럭스를 적합하고 GLAST 및 AMS-02의 검출 가능성 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 R-대칭이 위반된 상황에서 NLSP가 BBN 이전에 붕괴된다면 중성미자 어두운 물질이 유지될 수 있는가?
• RQ2 NLSP가 BBN 이전에 붕괴되면서도 중성미자가 장수하는 어두운 물질 후보로 남기 위해 필요한 R-대칭 위반 상수의 크기는 얼마인가?
• RQ3 천체물리적 및 실험적 제약 조건과 일치하는 $10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$ 범위의 자연스러운 R-대칭 위반 매개변수를 생성할 수 있는가?
• RQ4 붕괴하는 중성미자 어두운 물질에서 기대되는 감마선 신호는 무엇이며, EGRET 관측 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 수초에서 수미터 수준의 $c\tau \sim$ cm에서 m 수준의 장수하는 NLSP에서 발생하는 고유한 collider 신호는 무엇이며, 어떻게 식별할 수 있는가?

주요 결과

• R-대칭 위반 상수가 $\lambda \sim 10^{-14}$일 경우 NLSP 수명은 약 $10^3$ 초 이하로 줄어들며, BBN 이전에 붕괴되어 천체물리적 갈등을 해결한다.
• R-대칭 위반 상수가 $\lambda \sim 10^{-7}$일 경우 중성미자 수명은 약 $10^{26}$ 초이며, 천체물리적 시간 척도에서 안정적이므로 냉각 어두운 물질 후보로 타당하다.
• B-L 게이지 대칭 붕괴를 기반으로 한 모델은 $10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$ 범위의 R-대칭 위반 상수를 자연스럽게 생성하며, 천체물리적 및 collider 제약 조건을 모두 충족한다.
• 중성미자 붕괴로 인한 예측된 감마선 스펙트럼은 국소 은하수에서의 날카로운 선과 간행성 외부 기여에서의 연속 성분을 포함하며, $m_{3/2} = 10~{\rm GeV}$ 및 $\tau_{3/2} = 10^{27}~{\rm s}$일 경우 EGRET 데이터와 일치한다.
• collider에서 NLSP(예: 오른쪽 스터우)는 $\lambda_{323} \sim 10^{-8}$일 경우 약 $30~{\rm cm}$의 붕괴 길이를 가지며, 이는 양전하 궤적 뒤에 뒤이어 오는 뮤온 또는 제트를 생성하여 발견 가능하게 한다.
• 중성미자 NLSP의 경우 붕괴 길이는 약 $1~{\rm m}$이며, 이는 W 보손 붕괴 생성물과 함께 이격된 병합점을 생성하여 향후 collider에서 고유한 신호를 제공한다.