[논문 리뷰] Stochastic Finsler D-particle Space-Time Foam Enhances Dark Matter Relics

Nick E. Mavromatos, V. A. Mitsou외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 18.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 끈/브레인 이론 내에서 확률적인 펄서 D-입자 거품 모델을 제안하며, 이는 역동적이고 비리emann 기하학적 시공간 기하학을 유도하여 경량 초대칭 입자(LSP) 어두운 물질의 열적 잔여 밀도를 증가시킨다. 모델은 D-입자 반동이 확률적인 펄서 메트릭을 생성하며, 이는 볼츠만 방정식의 소스로 작용하여 테바 스케일의 D-입자 질량에서 LambdaCDM 예측을 초월해 LSP 잔여 밀도를 증가시킨다. 이는 실험 및 감마선 천문학적 제약 조건에 대한 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

Within the context of supersymmetric space-time (D-particle) foam in string/brane-theory, we discuss a Finsler-induced Cosmology and its implications for (thermal) Dark Matter abundances. This constitutes a truly microscopic model of dynamical space-time, where Finsler geometries arise naturally. The D-particle foam model involves point-like brane defects (D-particles), which provide the topologically non-trivial foamy structures of space-time. The D-particles can capture and emit stringy matter and this leads to a recoil of D-particles. It is indicated how one effect of such a recoil of D-particles is a back-reaction on the space-time metric of Finsler type which is stochastic. We show that such a type of stochastic space-time foam can lead to acceptable cosmologies at late epochs of the Universe, due to the non-trivial properties of the supersymmetric (BPS like) D-particle defects, which are such so as not to affect significantly the Hubble expansion. The restrictions placed on the free parameters of the Finsler type metric are obtained from solving the Boltzmann equation in this background for relic abundances of a Lightest Supersymmetric Particle (LSP) dark matter candidate. It is demonstrated that the D-foam acts as a source for particle production in the Boltzmann equation, thereby leading to enhanced thermal LSP relic abundances relative to those in the Standard LambdaCDM Cosmology. For D-particle masses of order TeV, such effects may be relevant for dark matter searches at colliders. The latter constraints complement those coming from high energy gamma-ray astronomy on the induced vacuum refractive index that D-foam models entail. We also comment briefly on the production mechanisms of such TeV-mass stringy defects at colliders, which, in view of the current LHC experimental searches, will impose further constraints on their couplings.

연구 동기 및 목표

• 끈/브레인 이론 내 D-입자를 기반으로 한 시공간 거품의 미세구조적이고 역동적인 모델을 개발하는 것.
• D-입자 반동으로부터 유도되는 펄서 기하학이 우주론적 진화와 어두운 물질 잔여 밀도에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 이러한 확률적인 펄서 배경이 후기 우주론에 일관성을 유지하면서도 허블 팽창을 방해하지 않는지 확인하는 것.
• 볼츠만 방정식 내 D-거품에 의한 입자 생성으로 인해 열적 LSP 잔여 밀도가 얼마나 증가하는지 정량화하는 것.
• 실험소 및 고에너지 감마선 천문학 제약 조건을 고려할 때 테바 스케일의 D-입자가 얼마나 현상학적으로 타당한지 평가하는 것.

제안 방법

• BPS 유사 D-입자 결함의 네트워크로 시공간 거품을 모델링하여 스트링 물질을 포획하고 방출하며 반동을 유도하는 것.
• D-입자 반동에 대한 반작용으로서 확률적인 펄서 유형의 메트릭을 유도하여 비틀림이 있는 비리emann 기하학적 구조를 도입하는 것.
• 이 확률적인 펄서 배경에서 LSP 잔여 밀도를 위한 볼츠만 방정식을 해결하며, D-거품을 입자 생성의 소스 항으로 간주하는 것.
• 관측된 후기 우주론 및 허블 팽창과의 일관성을 요구하여 펄서 메트릭의 자유 매개변수에 제약을 가하는 것.
• 예측된 잔여 밀도를 표준 LambdaCDM와 비교하여 증가 효과를 정량화하는 것.
• 실험소 및 감마선 천문학 제약 조건을 통해 진공 굴절률과 D-입자 결합 상수에 대한 평가를 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확률적인 펄서 기하학은 초대칭 D-입자 거품 모델 내에서 D-입자 반동으로부터 어떻게 유도되는가?
• RQ2 펄서에 의해 유도된 시공간 거품은 경량 초대칭 입자(LSP)의 열적 잔여 밀도를 어느 정도 증가시키는가?
• RQ3 이러한 모델은 후기 우주론 관측, 특히 허블 팽창률과 일관성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 실험소 탐색 및 고에너지 감마선 천문학 제약 조건을 고려할 때 테바 스케일의 D-입자에 대한 현상학적 제약은 무엇인가?
• RQ5 볼츠만 방정식 내 D-거품에 의한 입자 생성 항은 표준 어두운 물질 잔여 밀도 계산 방식을 어떻게 수정하는가?

주요 결과

• D-입자 반동으로부터 유도된 확률적인 펄서 메트릭은 후기 우주론 일관성을 유지하는 비틀림이 있는 시공간 기하학의 수정을 초래한다.
• D-거품은 볼츠만 방정식의 소스로 작용하여 표준 LambdaCDM 예측을 초월해 LSP의 열적 잔여 밀도를 증가시킨다.
• D-입자 질량이 테바 스케일일 경우, 잔여 밀도 증가 효과는 뚜렷해지며 향후 실험소 실험에서 검출 가능할 수 있다.
• 관측된 허블 팽창과 후기 우주론 일관성에 기반하여 펄서 메트릭의 자유 매개변수에 제약 조건이 가해진다.
• 고에너지 감마선 천문학에서의 진공 굴절률에 대한 제약 조건은 D-거품 모델에 대한 보완적 제약 조건을 제공한다.
• 현재 LHC에서의 스트링 결함 탐색은 테바 스케일의 D-입자 결합 상수에 추가적인 제약 조건을 가하며, 그 현상학적 타당성을 제한한다.