[논문 리뷰] Constraining scalar dark matter with Big Bang nucleosynthesis and atomic spectroscopy

Y. V. Stadnik, V. V. Flambaum|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 08.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 28인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 초기 우주에서의 핵합성(BBN) 동안 기본 상수에 미치는 스칼라 어두운 물질의 영향을 통해 스칼라 어두운 물질을 제약한다. 초기 우주의 4He 비율을 사용하여 광자, 경량 쿼크, 질량이 큰 벡터 보손과의 결합에 대한 제약을 설정한다. 논문은 스칼라 장의 이차 및 선형 결합에 대해 엄격한 경계를 도출하여 이전에 제약 없이 남아 있던 매개변수 공간의 광범위한 영역을 배제하며, 또한 어둠의 어두운 물질의 광자 결합을 더 강하게 제약하기 위해 dysprosium 스펙트로스코피 데이터를 활용한다.

ABSTRACT

Scalar dark matter can interact with Standard Model (SM) particles, altering the fundamental constants of Nature in the process. Changes in the fundamental constants during and prior to Big Bang nucleosynthesis (BBN) produce changes in the primordial abundances of the light elements. By comparing the measured and calculated (within the SM) primordial abundance of $^{4}$He, which is predominantly determined by the ratio of the neutron-proton mass difference to freeze-out temperature at the time of weak interaction freeze-out prior to BBN, we are able to derive stringent constraints on the mass of a scalar dark matter particle $ϕ$ together with its interactions with the photon, light quarks and massive vector bosons via quadratic couplings in $ϕ$, as well as its interactions with massive vector bosons via linear couplings in $ϕ$. We also derive a stringent constraint on the quadratic interaction of $ϕ$ with the photon from recent atomic dysprosium spectroscopy measurements.

연구 동기 및 목표

• 초기 우주 핵합성(BBN) 동안 기본 상수에 미치는 스칼라 어두운 물질(DM)의 영향을 통해 스칼라 어두운 물질를 제약하는 것.
• 중성자-양성자 질량 차이 및 약한 상호작용의 동결 온도 변화가 초기 우주의 4He 비율에 어떤 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 이차 및 선형 상호작용을 통해 광자, 경량 쿼크, 질량이 큰 벡터 보손과의 스칼라 어두운 물질 결합에 대한 새로운 제약을 도출하는 것.
• 최근의 원자 dysprosium 스펙트로스코피 데이터를 활용하여 스칼라 어두운 물질의 전자기 상수 변화에 대한 이차 결합을 제약하는 것.
• 우주론적 및 실험실 측정을 조합하여 이전에 제약 없이 남아 있던 스칼라 어두운 물질 매개변수 공간의 영역을 배제하는 것.

제안 방법

• 스칼라 어두운 물질를 경량의 진동하는 장 φ로 모델링하며, 이는 SM 입자들과 φ의 이차 또는 선형 상호작용을 통해 상호작용한다.
• fermion, 광자, 질량이 큰 벡터 보손과의 상호작용을 각각 L_int^f, L_int^γ, L_int^V의 효과적 라그랑지안 항으로 기술한다.
• 기본 상수의 유도된 변화를 유도한다: m_f → m_f(1 ± φ/Λ_f), α → α(1 ± φ/Λ_γ), M_V → M_V(1 ± φ/Λ_V).
• BBN 동안 기본 상수 변화에 민감한 주요 관측량으로서 중성자-양성자 질량 차이 대 약한 상호작용의 동결 온도 비율 Q_np/T_F 를 적용한다.
• BBN 계산과 측정된 초기 우주의 4He 비율을 조합하여 스칼라 장의 결합 스케일 Λ′_X 와 φ의 진폭을 제약한다.
• Budker 등(2015)의 원자 dysprosium 스펙트로스코피 데이터를 사용하여 φ가 전자기장(α 변화)과의 이차 결합에 의해 제약된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스칼라 어두운 물질이 SM 입자들과의 상호작용을 통해 초기 우주 핵합성 동안 기본 상수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 중성자-양성자 질량 차이 및 약한 상호작용의 동결 온도 변화가 초기 우주의 4He 비율에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 BBN 관측을 통해 광자, 경량 쿼크, 질량이 큰 벡터 보손과의 스칼라 어두운 물질 결합 스케일에 어떤 제약를 둘 수 있는가?
• RQ4 최근의 전자기 상수 스펙트로스코피 측정 결과는 스칼라 어두운 물질의 광자 결합에 어떤 제약를 둔다?
• RQ5 BBN와 원자 스펙트로스코피 데이터를 조합했을 때 스칼라 어두운 물질 매개변수 공간의 어떤 영역이 배제되는가?

주요 결과

• 논문은 BBN과 4He 비율을 기반으로 스칼라 어두운 물질의 광자와의 이차 결합에 대한 제약를 도출한다: (1/m_φ²)(m_φ/(3×10⁻¹⁶ eV))³ᐟ²[0.08κ′_γ/(Λ′_γ)² + ...] ≈ (0.5 ± 1.3)×10⁻²⁰ eV⁻⁴.
• BBN 제약는 스칼라 어두운 물질 매개변수 공간의 광범위한 영역을 배제하며, 특히 광자, 경량 쿼크, 질량이 큰 벡터 보손과의 결합에 대해 그렇다.
• dysprosium 스펙트로스코피를 통해 φ의 광자와의 이차 결합이 추가로 제약되며, 그 결과 제약선은 그림 2(빨간 선 아래)에 나타나 있다.
• 경량 쿼크와의 결합에 대해서는 Λ′_γ ≫ Λ′_q 이고 Λ′_V ≫ Λ′_q 일 때 제약가 가장 강하며, 그 배제 영역은 그림 3(파란 선 아래)에 나타나 있다.
• 질량이 큰 벡터 보손(W 및 Z)과의 결합에 대해서는 Λ′_γ ≫ Λ′_V 이고 Λ′_q ≫ Λ′_V 일 때 제약가 가장 강하며, 그 배제 영역은 그림 4(파란 선 아래)에 나타나 있다.
• 분석은 스칼라 어두운 물질가 현재 어두운 물질 에너지 밀도를 포화하고 있으며, <φ²>_{weak} ≫ <φ²>_0 를 가정하여 초기 우주에서의 변화에 대한 민감도를 높인다.