[논문 리뷰] Seven (and a half) reasons to believe in Mirror Matter: From neutrino puzzles to the inferred Dark matter in the Universe

R. Foot|ArXiv.org|2001. 02. 16.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 편미러 대칭을 갖는 가설적 입자인 미러 물질이 입자물리학과 천체물리학에서 해결되지 않은 여러 수수께끼를 해결할 수 있다는 것을 제안한다. 이 논문은 미러 물질이 암흑 물질, 중성자 비편광, 오르토파지트론늄의 수명 이질현상, 그리고 이례적인 운석 현상을 설명할 수 있으며, 4가지 검증 가능한 예측을 포함한다. 특히 힉스 보존이 그 미러 대응체와 혼합될 경우 힉스 붕괴 비율이 50퍼센트 감소할 것으로 예측한다.

ABSTRACT

Parity and time reversal are obvious and plausible candidates for fundamental symmetries of nature. Hypothesising that these symmetries exist implies the existence of a new form of matter, called mirror matter. The mirror matter theory (or exact parity model) makes four main predictions: 1) Dark matter in the form of mirror matter should exist in the Universe (i.e. mirror galaxies, stars, planets, meteoroids...), 2) Maximal ordinary neutrino - mirror neutrino oscillations if neutrinos have mass, 3) Orthopositronium should have a shorter effective lifetime than predicted by QED (in "vacuum" experiments) because of the effects of photon-mirror photon mixing and 4) Higgs production and decay rate should be 50% lower than in the standard model due to Higgs mirror - Higgs mixing (assuming that the seperation of the Higgs masses is larger than their decay widths). At the present time there is strong experimental/observational evidence supporting the first three of these predictions, while the fourth one is not tested yet because the Higgs boson, predicted in the standard model of particle physics, is yet to be found. This experimental/observational evidence is rich and varied ranging from the atmospheric and solar neutrino deficits, MACHO gravitational microlensing events, strange properties of extra-solar planets, the existence of "isolated" planets, orthopositronium lifetime anomaly, Tunguska and other strange "meteor" events including perhaps, the origin of the moon. The purpose of this article is to provide a not too technical review of these ideas along with some new results.

연구 동기 및 목표

• 입자물리학과 천체물리학에서 해결되지 않은 문제들, 특히 중성자 비편광과 암흑 물질에 대해 미러 물질을 해결책으로 제안한다.
• 관측된 상호작용에서 파리티 대칭과 시간 역전 대칭이 깨져 있더라도, 만약 미러 물질이 존재한다면 이들이 근본적인 대칭일 수 있음을 주장한다.
• 다양한 현상—중성자 부족, 마이크로렌즈 효과, 이례적인 운석, 오르토파지트론늄 붕괴—을 하나의 이론적 틀 안에서 통합한다.
• 특히 힉스 물리학과 중성자 혼합에 관해 미러 물질 이론의 검증 가능한 예측을 제시한다.
• 누적된 간접적 증거를 바탕으로 실험적·관측적 미러 물질 탐색을 촉진한다.

제안 방법

• 표준모형의 편미러 불변 확장으로, 이중 게이지 군을 가진 $G \otimes G$를 제안한다. 여기서 $G = SU(3) \otimes SU(2)_L \otimes U(1)_Y$이다.
• 일반 게이지 군에 대해 단열자인 미러 페르미온과 미러 게이지 보손을 도입하여 일반 물질과의 약한 상호작용을 보장한다.
• 오르토파지트론늄 수명의 이질현상을 설명하기 위해 광자와 미러 광자 간의 운동 에너지 혼합을 도입한다.
• 히iggs-미러 힉스 혼합을 모델링하여, 표준모형 대비 힉스 생성 및 붕괴 비율이 50퍼센트 감소할 것으로 예측한다.
• 중성자가 질량이 있고 비균일할 경우, 일반 중성자와 미러 중성자 간의 최대 진동을 예측한다.
• MACHO 마이크로렌즈, 툰구스카 유사 사건, 외계행성 이질현상 등의 관측 데이터를 미러 물질 프레임워크 내에서 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미러 물질이 일반 중성자와 미러 중성자 간의 최대 진동을 통해 대기 중 및 태양 중성자 부족 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 진공 실험에서 오르토파지트론늄의 효과 수명이 짧아지는 현상은 광자-미러 광자 혼합의 증거가 될 수 있는가?
• RQ3 미러 물질은 중력 마이크로렌즈와 은하의 회전곡선에서 유도된 암흑 물질을 설명할 수 있는가?
• RQ4 히iggs-미러 힉스 혼합에 의한 힉스 생성 및 붕괴 비율의 50퍼센트 감소는 타당한 예측인가? 그리고 어떻게 검증할 수 있는가?
• RQ5 미러 물질은 툰구스카 폭발과 같은 사건에서 크레이터나 조각이 남지 않는 이유를 설명할 수 있는가? 또는 고립되거나 '사라지는' 운석의 존재는 어떻게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 미러 물질은 약한 상호작용을 통해 일반 물질과 결합하지 않기 때문에, 일반 물질과의 상호작용이 약한 탓에 검출되지 않는 미러 은하, 별, 행성 등이 존재할 수 있다는 자연스러운 설명을 제공한다.
• 중성자가 질량이 있고 비균일할 경우, 일반 중성자와 미러 중성자 간의 최대 진동이 예측되며, 이는 태양 및 대기 중성자 데이터와 일치한다.
• 광자-미러 광자 운동 에너지 혼합 덕분에 오르토파지트론늄의 효과 수명은 QED 예측보다 짧아지며, 이는 검증 가능한 서명을 제공한다.
• 히iggs-미러 힉스 혼합으로 인해 힉스 생성 및 붕괴 비율이 표준모형 대비 50퍼센트 감소할 것으로 예측되지만, 당시 힉스 보존이 발견되지 않아 아직 검증되지 않았다.
• 이례적인 운석 사건, 예를 들어 툰구스카 폭발은 크레이터나 조각을 남기지 않는 미러 물질 천체와의 충돌로 인한 것으로 설명될 수 있다.
• 달의 기원은 미러 물질 천체의 충돌로 설명될 수 있으며, 이는 화학적 비율이 지구의 맨틀과 유사하므로 검출 가능한 화학적 흔적을 남기지 않아, 이 조건을 만족시킨다.