[논문 리뷰] Relating leptogenesis and dark matter

Michel H. G. Tytgat|ArXiv.org|2006. 06. 12.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 7인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 좌우대칭 확장에서 캐스케이드 형성 과정 중에 생성된 $B-L$ 비대칭을 통해 어둠의 물질과 바리온 물질이 동일한 기원에서 유래하는 통합된 시나리오를 제안한다. 어둠의 물질 후보자는 경량의 오른쪽 히터로 편향된 메이저라 네우트리노($\nu_R \sim 1$ GeV)이며, 이는 높은 질량의 색이 있는 메신저 입자($D$)의 늦은 붕괴를 통해 비열적 방식으로 생성되어, 다른 생성 메커니즘에도 불구하고 바리온과 유사한 자연스러운 밀도를 갖게 된다.

ABSTRACT

A scenario that relates the abundance of dark matter to the baryon asymmetry of the Universe is presented. In this scenario, based on a left-right extension of the Standard Model, dark matter is made of light, ~ 1 GeV, right-handed Majorana neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 다른 천체물리적 기원에도 불구하고 오늘날 어둠의 물질과 바리온 밀도가 유사한 이유에 대한 정밀조정 문제를 해결하기 위해.
• 어둠의 물질 부문에 해당하는 비대칭과 우주의 바리온 비대칭을 $B-L$를 보존하는 메커니즘을 통해 연결하기 위해.
• 어둠의 물질이 질량이 $M \sim 1$ GeV인 경량의 오른쪽 히터로 편향된 메이저라 네우트리노로 구성되며, 늦게 붕괴하는 메신저 입자로부터 비열적으로 생성되는 모형을 구축하기 위해.
• $\nu_R$의 밀도가 관측된 어둠의 물질 밀도와 일치하도록 하되, 열적 평형 상태를 거치지 않아 과잉 생성을 방지하기 위해.
• 전자약력 대칭 붕괴와의 일관성을 유지하고, $T \sim 100$ GeV 이후에 $D$-입자 붕괴가 발생하도록 하여 $B+L$ 비대칭이 소거되지 않도록 하기 위해.

제안 방법

• 레프토제네시스 동안 발생하는 비평형 붕괴를 통해 $B-L$ 비대칭을 생성하는 데 사용되는 추가적인 무거운 메이저라 네우트리노 $N$을 포함한 좌우대칭 보존군 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$을 도입하기 위해.
• 색이 있고 $SU(2)$ 스칼라 메신저 입자 $D$를 가정하며, 이는 $B-L = 1$을 가지며, 무거운 $N$ 상태의 비평형 붕괴를 통해 생성된 순 $B-L$ 비대칭을 지닌다.
• $D$-입자 붕괴가 전자약력 대칭 붕괴 이후에 발생하도록 하여 $B+L$ 비대칭의 소거를 방지한다.
• $D$-입자 붕괴를 통해 어둠의 물질 후보인 $\nu_R$를 비열적으로 생성함으로써 열적 밀도 과잉을 피한다.
• $\nu_R$의 질량을 $\sim 1$ GeV로 할당하여 관측된 어둠의 물질 에너지 밀도와 일치시키며, 이는 $\Omega_{\rm dm}/\Omega_b \sim 5$와도 일치한다.
• $\nu_R$의 붕괴를 방지하고 안정한 어둠의 물질 후보로 유지하기 위해 이산 대칭(예: R-대칭과 유사)을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어둠의 물질과 바리온 밀도의 관측된 유사성이 정밀조정 없이 설명될 수 있는가?
• RQ2 공통의 $B-L$ 비대칭 메커니즘을 통해 바리온 비대칭과 일치하는 어둠의 물질 잔여 밀도를 생성할 수 있는가?
• RQ3 경량의 오른쪽 히터로 편향된 메이저라 네우트리노($\sim 1$ GeV)가 비열적으로 생성되어 올바른 잔여 밀도를 갖는가?
• RQ4 $D$-입자 붕괴가 $B+L$ 비대칭의 소거를 방지하고 $\nu_R$의 늦은 생성을 보장하기 위해 충족해야 할 조건은 무엇인가?
• RQ5 비열 어둠의 물질 후보인 $\nu_R$가 구조 형성과 천체우주 관측과 일치할 수 있는가?

주요 결과

• 모형은 $D$ 입자 붕괴를 통한 비열적 방식으로 약 1 GeV의 오른쪽 히터로 편향된 메이저라 네우트리노를 생성하여 관측된 어둠의 물질 밀도와 일치시키는 데 성공한다.
• $D$-입자 질량은 약 테바르 범위이며, 강하게 상호작용하지만 매우 장수하며, 붕괴 너비 $\Gamma_D/M_D \sim 10^{-3}$를 가지므로 전자약력 대칭 붕괴 이후에 늦게 붕괴된다.
• $\nu_R$는 비열적으로 생성되어 열적 과잉 생성을 피하며, 이로 인해 스트리밍 길이 $\sim 1$ Mpc를 갖는 따뜻한 어둠의 물질의 한 형태가 된다.
• 레프토제네시스 기간 동안 생성된 $B-L$ 비대칭은 $D$-입자 붕괴를 통해 어둠의 물질 부문으로 전달되어 바리온과 어둠의 물질 밀도가 기원에서 연결된다.
• 적절한 $B-L$-가지치는 장입자를 포함한 $SU(2)_L \times SU(2)_R \times U(1)_{B-L}$ 보존군과 통합된 보편 시어소 프레임워크 내에서 모형이 실현 가능하다.
• 약한 상호작용으로 인해 직접 탐지 신호가 없더라도, $D$-입자 질량이 너무 크지 않다면 LHC에서 생성될 수 있으며, 이는 잠재적인 콜라이더 서명을 제공한다.