[論文レビュー] Hidden sectors and a multi-temperature universe

Amin Aboubrahim, Wan-Zhe Feng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 62被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、可視領域と隠れた領域（ダークマターおよびダーク力が含まれる）が別々の熱浴内で独立して進化する多温度宇宙の形式的枠組みを構築する。隠れた領域のダークフォトンがダークマターにおける速度に依存する自己相互作用を媒介できることを示し、銀河からクラスタスケールの観測データと整合する。また、2つの隠れた領域を備えることで、ダークフォトンがダークマターの大部分を占めつつ、宇宙論的および天体物理学的制約（残存密度および寿命）を満たすことが可能であることを示している。

ABSTRACT

A variety of supergravity and string based models contain hidden sectors which can play a role in particle physics phenomena and in cosmology. In this note we discuss the possibility that the visible sector and the hidden sectors in general live in different heat baths. Further, it is entirely possible that dark matter resides partially or wholly in hidden sectors in the form of dark Dirac fermions, dark neutralinos or dark photons. A proper analysis of dark matter and of dark forces in this case requires that one deals with a multi-temperature universe. We discuss the basic formalism which includes the multi-temperature nature of visible and hidden sectors in the analysis of phenomena observable in the visible sectors. Specifically we discuss the application of the formalism for explaining the velocity dependence of dark matter cross sections as one extrapolates from galaxy scales to scales of galaxy clusters. Here the dark photon exchange among dark fermions can produce the desired velocity dependent cross sections consistent with existing galactic cross section data indicating the existence of a new fifth (dark) force. We also discuss the possibility that the dark photon may constitute a significant portion of dark matter. We demonstrate a realization of this possibility in a universe with two hidden sectors and with the visible sector and the hidden sectors in different heat baths which allows a satisfaction of the constraints that the dark photon have a lifetime larger than the age of the universe and that its relic density be consistent with Planck data. Future directions for further work are discussed.

研究の動機と目的

• 超重力理論および弦理論モデルにおける隠れた領域の宇宙論的影響を扱うこと、特に可視領域と隠れた領域が完全に熱平衡に達しない可能性があること。
• 可視領域と隠れた領域の別々の温度を持つ結合した熱的進化の形式的枠組みを構築すること。
• 銀河およびクラスタスケールの観測で観測された速度に依存するダークマター断面積を、ダークフォトンの交換によって説明すること。
• 宇宙論的制約のもとで、ダークフォトンがダークマターの主要成分である可能性を検討すること。
• 余剰な相対的自由度の制約（BBN）を満たしつつ、隠れた領域が可視領域よりも冷たいままに保たれることを可能にすること。

提案手法

• 可視領域と隠れた領域の温度の結合進化方程式を導出し、複数の隠れた領域に対して ξ = T₁/T および ζ = T₂/T₁ といった温度比を導入する。
• 結合した領域間でのエネルギーおよびエントロピー保存を適用し、可視領域および隠れた領域からの寄与を含むようにフリードマン方程式を修正する。
• 隠れた U(1)ゲージ群と hypercharge フィールドの間の運動的混合および Stueckelberg マス混合を用いて相互作用を媒介する。
• ダークフェルミオン（ダークマター）およびダークフォトン（力の媒介者）を含むモデルを構築し、媒介者がダークフェルミオンに比べて軽量であると仮定する。
• 温度比の数値的進化を計算し、初期宇宙から BBN および現在の時代までの熱的歴史を追跡する。
• ダークフォトンの残存密度および寿命制約を評価し、2つの隠れた領域があることで、Planck のデータと宇宙論的安定性の両方を満たすことが可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視領域とは異なる温度を持つ隠れた領域の存在が、初期宇宙の熱的進化にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ダークフォトンは、銀河スケールからクラスタスケールの力学的観測と整合する速度に依存するダークマターの自己相互作用を媒介できるか？
• RQ3 ダークフォトンがダークマターの大部分を占めつつ、安定であり、Planck の残存密度測定と整合するための条件は何か？
• RQ4 隠れた領域の数が、ビッグバン核合成期における熱的分離およびエントロピー制約にどのように影響を与えるか？
• RQ5 2つの隠れた領域を持つモデルは、高いダークフォトンの残存密度と、宇宙の年齢を超える長い寿命を両立させることができるか？

主な発見

• モデルは、ダークフェルミオン間のダークフォトン媒介相互作用が、銀河からクラスタスケールの天体物理学的データと整合する速度に依存する断面積を生じることを示している。
• 1つの隠れた領域では、ダークフォトンの残存密度および寿命制約を同時に満たすことはできない。両方を満たすには2つの隠れた領域が必要である。
• 温度比 T₂/T₁ は独立に進化し、第二の隠れた領域では常に1未塔のままに保たれ、BBN期における宇宙の過剰閉じ込めを回避できる。
• この形式的枠組みにより、複数の領域における正確な熱的進化が可能となり、従来の独立したエントロピー保存の仮定を是正する。
• 第二の隠れた領域が BBN 時期に可視領域よりも冷たいままに保たれる場合、ダークフォトンはダークマターの顕著な割合を占めうる。
• 本モデルは SuperCDMS および e-ASTROGAM の制約と整合しており、特に 1 GeV 未満から keV 範囲の質量領域で顕著である。