[論文レビュー] Coupling neutrons to dark fermions to explain the neutron lifetime anomaly is incompatible with observed neutron stars

Gordon Baym, Peter Geltenbort+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、中性子が安定で弱い相互作用を示すダークフェルミオンに崩壊するモデル—中性子寿命のパズルを解消しようとするもの—が、1太陽質量を超える質量を持つ観測された中性子星を説明できないことを示している。このようなモデルは最大で0.7太陽質量の質量しか持たないが、観測された2太陽質量の中性子星と矛盾するため、ダークマターは単純なシングレットモデルを超えた、非常に制約の厳しい多粒子ダークセクターである必要がある。

ABSTRACT

We demonstrate that the observation of neutron stars with masses greater than one solar mass places severe demands on any exotic neutron decay mode that could explain the discrepancy between beam and bottle measurements of the neutron lifetime. If the neutron can decay to a stable, feebly-interacting dark fermion, the maximum possible mass of a neutron star is 0.7 solar masses, while all well-measured neutron star masses exceed one solar mass. The survival of $2 M_\odot$ neutron stars therefore indicates that any explanation beyond the Standard Model for the neutron lifetime puzzle requires dark matter to be part of a multi-particle dark sector with highly constrained interactions.

研究の動機と目的

• ビーム法とボトル法による中性子寿命測定値の差異を解消できる、安定したダークフェルミオンへの中性子崩壊を有するモデルが妥当かどうかを評価すること。
• 観測された中性子星の質量を用いて、このような異常な崩壊モードの宇宙論的・天体物理学的妥当性を評価すること。
• 観測された2太陽質量の中性子星と整合するよう条件付けた場合、ダークセクターの構造を制約すること。
• 単一のダークフェルミオンを有する最小限のダークマター・モデルが、中性子星の観測と両立可能かどうかを特定すること。

提案手法

• ベクトルまたはスカラーのポータル結合を通じて、中性子が安定で弱く相互作用するダークフェルミオンに崩壊するモデルを構築する。
• 中性子星の状態方程式が異常な崩壊によって変更された場合の、中性子星の質量-半径関係を計算するために、Tolman-Oppenheimer-Volkoff (TOV) 方程式を用いる。
• 1太陽質量を超える質量を持つ中性子星からの観測的制約を適用し、ダークフェルミオンへの結合定数の強さを制限する。
• 中性子の崩壊が不可逆的かつ安定であると仮定した場合、中性子星が取りうる最大質量を導出する。
• 理論的上限である0.7太陽質量の中性子星質量と、観測された2太陽質量の中性子星を比較し、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単純なダークフェルミオン・ポータルが、中性子寿命のパズルを説明しつつ、中性子星の観測と両立可能か？
• RQ2 安定なダークフェルミオンへの異常な中性子崩壊が許容する中性子星の最大質量は何か？
• RQ3 1太陽質量を超える質量を持つ観測された中性子星は、中性子とダークフェルミオンの結合定数の強さをどのように制約するか？
• RQ4 2太陽質量の中性子星の存在は、ダークセクターの構造について何を示唆するか？

主な発見

• 安定なダークフェルミオンへの中性子崩壊が許容する中性子星の最大質量は0.7太陽質量に限られる。
• この理論的上限は、1太陽質量を超える質量を持つ中性子星、特に確認済みの2太陽質量系の中性子星と矛盾する。
• 2太陽質量の中性子星の存在は、単一の安定ダークフェルミオンを有する最小限のダークマター・モデルが中性子寿命のパズルを説明するものとして成立しないことを示している。
• 標準模型を超えた中性子寿命パズルの妥当な説明には、非常に制約の厳しい相互作用を持つ多粒子ダークセクターが必要となる。