[論文レビュー] Dark matter in the hidden gauge theory

Nodoka Yamanaka, Sho Fujibayashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2014

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、標準模型（SM）とグランド統一理論（GUT）スケールで統一された隠れたゲージ理論（HGT）から生じるダークマター（DM）を想定する宇宙論的シナリオを提案する。このモデルでは、観測されたDM密度とバリオン対光子比とを整合させるために、SM系にミニインフレーションを導入する必要がある。宇宙線観測から、GUTスケールは10^16 GeVより大きいことが制約され、重力波、ヒッグスの高精度実験、DMハロー構造がHGTシナリオの検証に重要な役割を果たすことが示された。

ABSTRACT

The cosmological scenario of the dark matter generated in the hidden gauge theory based on the grand unification is discussed. It is found that the stability of the dark matter halo of our Galaxy and the cosmic ray observation constrain, respectively, the dark matter mass and the unification scale between the standard model and the hidden gauge theory sectors. To obtain a phenomenologically consistent thermal evolution, the entropy of the standard model sector needs to be increased. We therefore propose a scenario where the mini-inflation is induced from the potential coupled to the Standard model sector, in particular the Higgs sector. This scenario makes consistent the current dark matter density as well as the baryon-to-photon ratio for the case of pion dark matter. For the glueball or heavy pion of hidden gauge theory, an additional mini-inflation in the standard model sector before the leptogenesis is required. We also propose the possibility to confirm this scenario by known prospective experimental approaches.

研究の動機と目的

• GUTスケールで統一された隠れたSU(Nc)ゲージ理論から生じるダークマターの宇宙論的妥当性を検討すること。
• SM系にミニインフレーションを導入することで、HGTに基づくDMモデルにおける熱的歴史の問題を解決し、エントロピー生成と観測されたDM密度およびバリオン対光子比を整合させること。
• 宇宙線を介した間接的ダークマター検出を用いて、SMとHGTの統一スケールを制約すること。
• 将来的な実験で検証可能な観測的シグナル—重力波、ヒッグスの高精度実験、DMハロー構造—を同定すること。

提案手法

• Higgs系のSM系へのカップリングによって引き起こされるミニインフレーションシナリオを提案し、観測されたDMリリック密度に一致するようにエントロピーを増加させる。
• 次元解析を用いて、DM崩壊からの宇宙線フラックスを推定し、陽電子スペクトルを用いてGUTスケールを制約する。
• HGT系における一次相転移から生じるストキャスティックな重力波背景の式を適用し、純粋ヤンミルズHGTに対してf ~ 10^-9 HzおよびΩ_GW h² ~ 10^-16の推定値を得る。
• チャーミカル凝集とパイオン崩壊定数を用いて、グルーアトムの質量関係m_ϕ ~ Λ_DMとパイオンの質量関係m_π ~ √(m_q Λ_DM)を導出する。
• 重いHGTハドロンまたは純粋ヤンミルズ系のため、レプトゲネシス温度より高い追加のミニインフレーションが必要となる可能性を検討する。
• 将来的な観測によるモデルの検証可能性を評価する：Bモード偏光、重力波検出（例：SKA）、線形衝突加速器、および高精度なDMハロー密度プロファイリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隠れたゲージ理論において、ダークマターが最も軽いハドロンであると仮定した場合、観測されたダークマター密度およびバリオン対光子比と整合するように、その熱的進化を実現できるか？
• RQ2 宇宙線観測は、標準模型と隠れたゲージ理論との間の統一スケールにどのような制約を課えるか？
• RQ3 SM系におけるミニインフレーションは、HGTに基づくダークマターモデルにおけるエントロピーとリリック密度の問題をどのように解決できるか？
• RQ4 重力波、ヒッグスの高精度実験、または宇宙線スペクトルといった観測的シグナルは、どのようにして隠れたゲージ理論シナリオを確認できるか？
• RQ5 銀河系のダークマターハローの構造は、自己相互作用を示すHGTハドロンの証拠を提供できるか？

主な発見

• 銀河系のダークマターハローの安定性が、ダークマター粒子の質量を制約し、DM非対称性がゼロの場合、SU(2) HGTハドロンは主なDM成分として除外される。
• 特に陽電子スペクトルを用いた宇宙線観測から、SMとHGTの統一スケールは10^16 GeVより大きいことが制約される。
• パイオン様のダークマターに対しては、Higgs遷移によって引き起こされる可能性のあるSM系における提案されたミニインフレーションが、観測されたバリオン対光子比を自然に説明できる。
• グルーアトムまたは重いHGTハドロンの場合は、一貫した熱的進化を達成するため、レプトゲネシス温度より高い追加のミニインフレーションが必要となる。
• HGT系における一次相転移から生じるストキャスティックな重力波背景は、周波数f ~ 10^-9 Hzおよびエネルギー密度Ω_GW h² ~ 10^-16の信号を生成する可能性があり、スカイリオンアレイ（SKA）で検出可能となる可能性がある。
• 将来的なヒッグス系の高精度測定、Bモード偏光、および内側ハローのDM密度プロファイルは、HGTシナリオの検証に重要な実験的テストを提供する。