[论文解读] Gravitino Dark Matter with Broken R-parity

Alejandro Ibarra|ArXiv.org|Oct 11, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出了一种可行的引力微子暗物质场景，其中R-奇偶性轻微破坏，且次轻量超对称粒子（NLSP）在宇宙大爆炸核合成（BBN）之前衰变，从而避免了宇宙学冲突。该模型生成了大小适中的R-奇偶性破坏耦合——$10^{-14}$ 到 $10^{-7}$——以确保NLSP在纳秒内衰变，同时引力微子仍足够稳定，可作为冷暗物质，与热重子生成机制及观测约束一致。

ABSTRACT

Scenarios with gravitino dark matter face potential cosmological problems induced by the presence of the Next-to-Lightest Supersymmetric Particle (NLSP) at the time of Big Bang Nucleosynthesis (BBN). A very simple, albeit radical, solution to avoid all these problems consists on assuming that R-parity is slightly violated, since in this case the NLSP decays well before the onset of BBN. Remarkably, even if the gravitino is no longer stable in this scenario, it still constitutes a very promising dark matter candidate. In this talk we review the motivations for this scenario and we present a model that naturally generates R-parity breaking parameters of the right size to produce a consistent thermal history of the Universe, while satisfying at the same time all the laboratory and cosmological bounds on R-parity breaking. We also discuss possible signatures of this scenario at gamma ray observatories and at colliders.

研究动机与目标

• 解决引力微子暗物质场景中，长寿命NLSP在宇宙大爆炸核合成（BBN）期间引发的宇宙学问题。
• 证明当NLSP在BBN之前衰变时，即使R-奇偶性轻微破坏，引力微子暗物质依然可行。
• 构建一个自然生成R-奇偶性破坏耦合（范围为$10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$）的模型，且与实验室和宇宙学约束一致。
• 识别衰变引力微子暗物质在伽马射线观测与未来对撞机实验中的可观测信号。

提出的方法

• 引入一种机制，通过$\lambda_{ijk}$、$\lambda'_{ijk}$ 和 $\lambda''_{ijk}$ 耦合实现R-奇偶性破坏，使NLSP衰变寿命约为纳秒至秒，避免BBN被破坏。
• 利用与B-L规范对称性破缺相关的模型，自然生成所需的小R-奇偶性破坏耦合。
• 应用约束条件：R-奇偶性破坏耦合必须在电弱相变之前处于非热平衡状态，以避免破坏重子不对称性。
• 计算引力微子衰变为光子的衰变速率，利用公式$\tau_{3/2} \sim 10^{26}~{\rm s} \cdot (\lambda/10^{-7})^{-2} (m_{3/2}/10~{\rm GeV})^{-3}$，得到具有可能线谱成分的弥漫伽马射线能谱。
• 估算对撞机中NLSP的衰变长度：右手上超粒子NLSP的$c\tau \sim 30~{\rm cm}$，中性子NLSP的$c\tau \sim 1~{\rm m}$，可产生位移顶点信号。
• 将预测的伽马射线谱（星系晕与河外源）与EGRET数据对比，拟合弥漫背景，并评估GLAST与AMS-02的探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在R-奇偶性破坏的场景中，只要NLSP在BBN之前衰变，引力微子暗物质是否仍可行？
• RQ2 为确保NLSP在BBN之前衰变，同时保持引力微子作为长寿命暗物质候选者，R-奇偶性破坏耦合的大小应为多少？
• RQ3 能否构建一个自然模型，使R-奇偶性破坏参数落在$10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$范围内，且与宇宙学和实验室约束一致？
• RQ4 衰变引力微子暗物质的可观测伽马射线信号是什么？与EGRET观测结果相比如何？
• RQ5 长寿命NLSP（$c\tau \sim$ 厘米至米）在对撞机中会产生何种独特信号？如何识别？

主要发现

• 当R-奇偶性破坏耦合为$\lambda \sim 10^{-14}$时，NLSP的寿命缩短至$\sim 10^3$秒或更短，确保其在BBN前衰变，从而解决宇宙学冲突。
• 当$\lambda \sim 10^{-7}$时，引力微子的寿命约为$\sim 10^{26}$秒，使其在宇宙时标下稳定，是可行的冷暗物质候选者。
• 基于B-L规范对称性破缺的模型可自然生成$R$-奇偶性破坏耦合，其范围为$10^{-14} \sim \lambda \sim 10^{-7}$，满足宇宙学与对撞机约束。
• 引力微子衰变预测的伽马射线谱包含来自本地星系晕的锐线成分与来自河外源的连续谱成分，当$m_{3/2} = 10~{\rm GeV}$ 且 $\tau_{3/2} = 10^{27}~{\rm s}$ 时，总通量与EGRET数据一致。
• 在对撞机中，NLSP（如右手上超粒子）产生位移顶点，衰变长度$\sim 30~{\rm cm}$（当$\lambda_{323} \sim 10^{-8}$时），形成带电轨迹后伴随μ子或喷注，可实现探测。
• 对于中性子NLSP，衰变长度$\sim 1~{\rm m}$，产生带有$W$玻色子衰变产物的位移顶点，为未来对撞机提供独特信号。