[논문 리뷰] Thermal relic abundance of the lightest Kaluza-Klein particle in phenomenological universal extra dimension models

Yoshiaki Ishigure, M. Kakizaki외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 21.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 질량 스펙트럼이 최소 UED 값으로 제한되지 않는 현상학적 보편적 추가 차원(pUED) 모형에서 가장 가벼운 칼루차-클라인 광자(γ⁽¹⁾)의 열적 잔여 밀도를 계산한다. 여기서 공존형 망각 효과는 γ⁽¹⁾과 다른 첫 번째 KK 입자 간 질량 준위가 거의 일치할 경우에 특히 강하게 영향을 미치며, 이로 인해 1 TeV에서 몇 테라볼트 이내의 천체물리적으로 타당한 압축 스케일이 유지됨을 보여준다.

ABSTRACT

Universal extra dimension models with Kaluza-Klein parity provide us excellent candidates for dark matter. We consider phenomenological universal extra dimension models where the Kaluza-Klein (KK) mass spectrum is different from that of the minimal universal extra dimension model, and compute the thermal relic abundance of the first KK mode of the photon taking into account the production of second KK particles. It is pointed out that its thermal relic abundance depends significantly on the mass degeneracy between the KK-photon and other KK particles because of considerable coannihilation effects. The cosmologically favored compactification scale is shown to range from around 1 TeV to a few TeV even in the cases where one of the first KK particles is tightly degenerate with the first KK photon in mass.

연구 동기 및 목표

• 임의의 KK 질량 스펙트럼을 가진 현상학적 보편적 추가 차원(pUED) 모형에서 첫 번째 칼루차-클라인 광자(γ⁽¹⁾)의 열적 잔여 밀도를 평가하는 것.
• 두 번째 KK 입자와의 공존형 망각 과정이 γ⁽¹⁾의 잔여 밀도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• γ⁽¹⁾과 다른 첫 번째 KK 입자 간 질량 준위가 변화할 때 관측된 암흑물질 밀도 Ωh² ≈ 0.12과 일치하는 압축 스케일의 범위를 결정하는 것.
• KK 질량 분리가 변화할 경우 mUED 모형이 예측하는 압축 스케일에 대한 탄력성을 평가하는 것.

제안 방법

• 평탄한 다섯 번째 차원을 가진 5차원 보편적 추가 차원 모형을 사용하며, 이는 S¹/Z₂ 오르비폴드에 의해 압축되며, 압축 반경 R로 매개변수화된다.
• KK 입자 질량은 Z_B, Z_W, Z_t 등과 같은 장 강도 매개변수를 통해 정의되며, 이는 최소 UED(mUED) 모형의 Z ≈ 1이라는 가정에서 벗어나 자유 매개변수로 취급된다.
• γ⁽¹⁾의 열적 잔여 밀도는 첫 번째 KK 입자와의 모든 공존형 망각 채널 및 두 번째 KK 입자를 포함한 최종 상태를 포함하여 수치적으로 계산된다.
• 질량 준위 차이를 정량화하기 위해 질량 준위 차이 매개변수 Δ_X = (m_X⁽¹⁾ − m_γ⁽¹⁾)/m_γ⁽¹⁾ 가 사용된다.
• 허브스 질량 매개변수 μ = 0 이며, 다른 질량 매개변수들은 mUED 값(ΛR = 5)으로 설정되며, 유일하게 선택된 첫 번째 KK 입자 X만을 제외한다.
• 두 번째 KK 입자의 공존형 망각 점과 붕괴 모드는 일관성을 확보하기 위해 mUED 상호작용 기반으로 모델링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pUED 모형에서 가장 가벼운 칼루차-클라인 광자(γ⁽¹⁾)의 열적 잔여 밀도는 γ⁽¹⁾과 다른 첫 번째 KK 입자 간 질량 준위가 거의 일치할 경우 어떻게 달라지는가?
• RQ2 두 번째 KK 입자 생성이 최종 상태에 포함될 경우 효과적인 붕괴 단면적과 γ⁽¹⁾의 잔여 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 한 개의 첫 번째 KK 입자가 γ⁽¹⁾과 거의 질량 준위가 일치할 경우, mUED 예측과 비교해 압축 스케일 1/R는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 임의의 KK 질량 분리 조건 하에서 관측된 암흑물질 잔여 밀도 Ωh² ≈ 0.12와 일치하는 압축 스케일의 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 첫 번째 KK 광자(γ⁽¹⁾)의 열적 잔여 밀도는 다른 첫 번째 KK 입자와의 질량 준위가 거의 일치할 경우에 공존형 망각 효과로 인해 매우 민감하게 영향을 받는다.
• 한 개의 첫 번째 KK 입자가 γ⁽¹⁾과 거의 질량 준위가 일치하더라도, 천체물리적으로 유리한 압축 스케일 1/R는 약 1 TeV에서 몇 테라볼트 이내로 유지된다.
• 최종 상태에 두 번째 KK 입자 생성을 포함시키면 효과적인 붕괴 단면적이 크게 변화하고, 이러한 과정을 忽시한 모형과 비교해 잔여 밀도 예측이 이격된다.
• mUED 예측(그림 2의 검은 선)은 질량 분리 변화에 대해 탄력성이 없으며, KK 질량이 mUED 값으로 제약을 받지 않을 경우 允가 가능한 1/R 범위가 상당히 확장된다.
• Z⁽¹⁾ 선의 (1/R, Δ_X) 평면에서의 행동은 W⁽²⁾± 및 a⁽¹⁾± 붕괴 채널의 임계값에 비선형적으로 의존하며, 이는 공존형 망각에서 공명 효과를 나타낸다.