[논문 리뷰] Non-thermal dark matter: supersymmetric axions and other candidates

Howard Baer, Ki-Young Choi외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 30.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 강한 CP 문제와 계층 문제를 해결하는 초대칭 악시온 모델을 중심으로 비열적 어둠료물질(DM) 생성을 검토한다. 스위프링 위상의 WIMP과 보존적 위상 운동(BCM)을 조합한 혼합 DM 시나리오를 탐구하여, 비열적 잔여물이 LHC 제약 조건을 피하면서도 타당한 천체물리학적 해결책을 제공할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Increasingly stringent limits from LHC searches for new physics, coupled with lack of convincing signals of weakly interacting massive particle (WIMP) in dark matter searches, have tightly constrained many realizations of the standard paradigm of thermally produced WIMPs as cold dark matter. In this article, we review more generally both thermally and non-thermally produced dark matter (DM). One may classify DM models into two broad categories: one involving bosonic coherent motion (BCM) and the other involving WIMPs. BCM and WIMP candidates need, respectively, some approximate global symmetries and almost exact discrete symmetries. Supersymmetric axion models are highly motivated since they emerge from compelling and elegant solutions to the two fine-tuning problems of the Standard Model: the strong CP problem and the gauge hierarchy problem. We review here non-thermal relics in a general setup, but we also pay particular attention to the rich cosmological properties of various aspects of mixed SUSY/axion dark matter candidates which can involve both WIMPs and BCM in an interwoven manner. We also review briefly a panoply of alternative thermal and non-thermal DM candidates.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 null 결과와 냉각 어둠료물질에 대한 WIMP 프레임워크 간의 증가하는 갈등을 해결하기 위해.
• 열적으로 생성된 WIMP의 대안으로서 비열적 어둠료물질 생성이 타당한지 탐구하기 위해.
• WIMP과 보존적 위상 운동(BCM)을 모두 포함하는 혼합 어둠료물질 모델의 천체물리학적 타당성을 검토하기 위해.
• 비열적 DM 프레임워크 내에서 강한 CP 문제와 계층 문제를 해결하는 데 초대칭 악시온 모델이 어떻게 기여하는지 평가하기 위해.
• 표준 WIMP 프레임워크를 초월한 다양한 열적 및 비열적 어둠료물질 후보들을 검토하기 위해.

제안 방법

• 초기 우주에서의 비열적 어둠료물질 생성 메커니즘을 분석하며, 늦은 시기 또는 평형이 아닌 생성에 초점을 맞춘다.
• BCM에 대해 근사적인 전역 대칭과 WIMP에 대해 정확한 이산 대칭을 갖는 모델을 분석하여 서로 다른 어둠료물질 생성 경로를 고려한다.
• WIMP과 BCM 성분이 공존하는 혼합 어둠료물질 시나리오를 조사하며, 상호 연관된 천체물리학적 진화를 탐구한다.
• 현재 관측 제약 조건 하에서 혼합 SUSY/악시온 모델의 타당성을 평가하기 위해 천체물리학적 제약 조건을 적용한다.
• 초대칭 악시온 모델이 강한 CP 문제와 계층 문제를 동시에 해결할 수 있음을 보여주며, 비열적 DM의 동기를 제공한다.
• 일반적인 유효장 이론과 대칭 기반 추론을 사용하여 열적 WIMP 프레임워크를 초월한 어둠료물질 후보를 분류한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비열적 어둠료물질 생성은 약한 상호작용을 갖는 거대 입자(WIMP)에 대한 LHC의 엄격한 제약 조건을 피할 수 있는가?
• RQ2 초대칭 악시온 모델은 강한 CP 문제와 계층 문제를 동시에 해결하면서도 비열적 어둠료물질 후보로서 타당한가?
• RQ3 WIMP과 보존적 위상 운동(BCM)을 조합한 혼합 어둠료물질 모델은 어떤 천체물리학적 함의를 지닌다?
• RQ4 근사적인 전역 대칭과 정확한 이산 대칭은 비열적 DM 후보를 분류하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 열적 및 비열적 어둠료물질 후보들은 이론적 동기와 관측 가능성 측면에서 어떻게 비교될 수 있는가?

주요 결과

• 비열적 어둠료물질 생성은 LHC의 null 결과를 고려할 때 열적으로 생성된 WIMP의 타당한 대안을 제공한다.
• 초대칭 악시온 모델은 강한 CP 문제와 계층 문제를 동시에 해결할 수 있다는 점에서 매우 강력한 이론적 동기를 갖는다.
• WIMP과 보존적 위상 운동(BCM)을 포함하는 혼합 어둠료물질 모델은 풍부한 천체물리학적 역학을 보이며 관측 제약 조건을 충족시킬 수 있다.
• BCM 후보는 근사적인 전역 대칭을 필요로 하며, WIMP은 거의 정확한 이산 대칭에 의존하므로 이들의 이론적 기초가 구분된다.
• 논문은 비열 잔여물이 열적 동결-아웃을 요구하지 않더라도 일관된 어둠료물질 밀도를 제공할 수 있음을 입증한다.
• 열적 및 비열적 어둠료물질 후보의 광범위한 범주가 검토되었으며, 이는 이론적 및 현상학적 다양성을 강조한다.