[論文レビュー] Asymmetric Inert Scalar Dark Matter

Mikaël Dhen, Thomas Hambye|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、初期宇宙におけるB−L非対称性が、不活性スカラー二重項模型におけるλ5スカラー相互作用を介して部分的にダークマター（DM）非対称性に変換可能であると提唱している。DM質量が数TeVの範囲にある場合、今日のDMの余剰密度が支配的になる。このメカニズムは、DMの閾値以下の非対称性の熱平衡化と、DM粒子と反粒子の振動に依存しており、微調整を必要としない。

ABSTRACT

In the quite minimal inert scalar doublet dark matter framework, we analyze what would be the effect of a B−L asymmetry that could have been produced in the Universe thermal bath at high temperature. We show that, unless the “λ5” scalar interaction is tiny, this asymmetry is automatically reprocessed in part into a DM asymmetry that can easily dominate the DM relic density today. This scenario requires the inert DM mass scale to lie in the few-TeV range. Two types of relic density suppressions render this scenario viable: thermalization, from the same “λ5” interaction, of the asymmetries at temperature below the dark matter particle threshold, and DM particle-antiparticle oscillations.

研究の動機と目的

• 不活性スカラー二重項模型において、初期のB−L非対称性がダークマター余剰密度に与える影響を調査すること。
• このような非対称性が支配的なダークマター非対称性に再処理可能かどうかを特定すること。
• 得られるダークマター密度が観測結果と整合する条件を同定すること。
• λ5相互作用とDMの振動が余剰密度を抑制または増幅する役割を分析すること。

提案手法

• 高温における初期宇宙の熱平衡浴にB−L非対称性をモデル化すること。
• B−L非対称性の進化を、B−LとDM数密度の間を媒介するλ5スカラー相互作用を通じて分析すること。
• DM閾値以下の非対称性の熱平衡化を評価し、λ5相互作用が依然として有効である状況を検討すること。
• 対称的DM生成を抑制するメカニズムとしてのDM粒子と反粒子の振動効果を組み込むこと。
• 熱プラズマ内での非対称性および余剰密度の進化を追跡するための運動方程式を用いること。
• 観測されたダークマター余剰密度からの制約を適用し、必要なDM質量スケールを固定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期のB−L非対称性は、不活性スカラー二重項模型において支配的な非対称的ダークマター成分を生じうるか？
• RQ2 λ5スカラー相互作用は、B−L非対称性をDM非対称性に再処理する上で果たす役割は何か？
• RQ3 DM閾値以下の非対称性の熱平衡化とDMの振動は、最終的な余剰密度にどのように影響するか？
• RQ4 非対称成分が支配的になるために必要な不活性スカラーDMの質量範囲は何か？
• RQ5 観測されたダークマター密度を考慮した場合、微調整なしにこのシナリオは成立可能か？

主な発見

• λ5相互作用が極めて小さくない限り、B−L非対称性は効率的にダークマター非対称性に再処理可能である。
• DM質量が数TeVの範囲にある場合、得られるダークマター余剰密度は対称的寄与を上回る。
• DM閾値以下の非対称性の熱平衡化は、対称的DM生成を抑制し、非対称成分を強化する。
• DM粒子と反粒子の振動は、対称的DMをさらに抑制し、非対称成分の支配的性質を強化する。
• 熱平衡化と振動の両方の抑制メカニズムが作用する場合、微調整なしにシナリオは成立する。
• このモデルは、最小限の微調整で支配的な非対称的ダークマター成分に至る自然な経路を予測する。