[논문 리뷰] Implications of mixed axion/neutralino dark matter for the Cosmic Frontier: a Snowmass whitepaper

Kyu Jung Bae, Howard Baer외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 12.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 스노마스 화이트페이퍼는 초대칭(SUSY)과 페체이-콰이어(PQ) 대칭을 통합하는 모델에서 혼합된 악시온/중성미노 어둠스 matter의 성질을 조사하며, 두 입자가 어둠스 matter 잔여물로 공존함을 보여준다. 열적 및 비열적 생산 메커니즘에 의한 악시온, 악시노, 색션, 중성미노의 생성이 초기 우주의 천체물리학에 영향을 미치며, 악시온과 중성미노의 밀도는 모두 ξ < 1인 인자로 재스케일링되어, 천체물리학적 우주 전면에서 직접 및 간접 탐지 예측에 중대한 영향을 미친다.

ABSTRACT

If one simultaneously invokes the SUSY solution to the gauge hierarchy problem and the PQ solution to the strong CP problem, then one might expect mixed axion/neutralino dark matter (DM), i.e. two dark matter particles. In this case, dark matter production involves oscillation production of axions, thermal and non-thermal neutralino production and thermal and non-thermal production of axinos and saxions. The latter particles may feed additional neutralinos into the cosmic soup, or dilute all relics via additional entropy production, or feed dark radiation into the cosmos. Depending on the SUSY and PQ model, the PQ scale can easily exist from 10^9-10^{16} GeV. Axions may lie well beyond the range currently being probed by experiment. In the case of relic WIMPs, theoretical predictions must be rescaled for the possibility that WIMPs only comprise a fraction of the local DM abundance.

연구 동기 및 목표

• 초대칭(SUSY)과 페체이-콰이어(PQ) 대칭이 동시에 작용할 때 혼합 악시온/중성미노 어둠스 matter의 천체물리학적 영향을 조사하는 것.
• 악시온, 악시노, 색션, 중성미노의 열적 및 비열적 생성이 BBN 이전의 천체물리학과 잔여 밀도에 어떻게 영향을 미치는지 분석하는 것.
• 중성미노가 총 어둠스 matter 밀도의 일부에 불과할 수 있음을 고려해 직접 및 간접 WIMP 탐지 한계를 재조정하는 것.
• 악시온 생성이 억제되지만 색션 붕괴가 어둠스 matter 잔여물의 강화 또는 희석을 유도할 수 있는 고스케일 PQ 모델(fa ~ 10^16 GeV)의 타당성을 평가하는 것.
• 혼합 어둠스 matter 시나리오 하에서 악시온 및 WIMP 탐지 실험에 대한 업데이트된 이론적 예측을 제공하는 것.

제안 방법

• 재열 온도 TR과 PQ 스케일 fa에 따라 열적으로 생성되는 색션과 악시노를 고려한 중력 매개 초대칭 붕괴 모델을 사용하여 초기 우주를 모델링한다.
• 색션과 악시노의 공진기 진동(CO) 및 열생산(TP) 비율을 적용하며, 고 fa(~10^13–10^16 GeV)에서는 CO가 지배한다.
• 악시온 질량 공식 ma ≈ 6.2 μeV × (10^12 GeV/fa)와 CO 생성 악시온의 잔여 밀도 공식 Ωah² ≈ 0.18θ²(fa/10^12 GeV)^1.19(ΛQCD/400 MeV)를 적용한다.
• 열적 동결(thermal freeze-out)을 통한 중성미노 잔여 밀도 유도를 수행하며, σv ∼ 3×10^{-27} cm³/s로 가정하고, 중성미노가 열악한 경우 ξ = Ωχh² / 0.12를 통해 예측치를 재스케일링한다.
• 악시노 및 색션 붕괴 평가: 표준모형 입자로의 붕괴(엔트로피 희석), 악시온으로의 붕괴(어둠스 방사선), 또는 초대칭 입자로의 붕괴(중성미노 강화)를 고려한다.
• 직접 및 간접 WIMP 탐지 단면적에 각각 ξ 및 ξ²의 재스케일링 인자를 적용하여 어둠스 matter 조성의 부분적 구성 요소를 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빅뱅 핵합성 이전의 초기 우주 천체물리학에 있어 악시온과 중성미노 어둠스 matter의 공존은 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 혼합 악시온/중성미노 어둠스 matter는 WIMP의 잔여 밀도에 어떤 영향을 미치며, 탐지 한계는 어떻게 재스케일링되어야 하는가?
• RQ3 색션과 악시노 붕괴는 최종 어둠스 matter 밀도와 어둠스 방사선 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 어떤 PQ 스케일 범위(fa)에서 SUSY-PQ 모델에서 악시온 지배 또는 중성미노 지배 어둠스 matter가 가능할 수 있는가?
• RQ5 혼합 어둠스 matter 시나리오는 현재 및 향후 악시온 및 WIMP 탐지 실험의 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• SUSY-PQ 모델에서 중성미노 잔여 밀도는 ξ = Ωχh² / 0.12 인자로 감소하며, 이는 직접 탐지 단면적에 ξ로 재스케일링이 필요하다.
• mχ ~ 100 GeV인 힉스노이드 유형 WIMP의 스핀-독립 단면적은 σ^SI(χp) ~ 5×10^{-9} pb이지만, 이는 ξ ~ 0.07–0.10로 재스케일링된 후에야 Xe-100 한계와 일치한다.
• SUSY KSVZ 모델에서 악시노와 색션 생산 비율은 Y~TP ~ 10^{-5} × (fa/10^12 GeV)^2 × (TR/10^8 GeV)로 스케일링되며, 고 fa에서는 CO가 지배한다.
• fa ~ 10^13–10^16 GeV 범위에서 CO 생성 색션은 지배적이며, 그 붕괴는 중성미노 밀도를 강화하거나 모든 잔여물을 희석시킬 수 있다. 이는 붕괴 분해비에 따라 달라진다.
• ADMX와 같은 악시온 탐지 실험은 악시온 비율이 열악할 경우 진정한 악시온 밀도를 놓칠 수 있으며, 특히 작은 초기 위상각 θi를 가진 고 fa 영역에서 그러한 위험이 크다.
• γ선 또는 반물질로의 WIMP 결합 붕괴 간접 탐지의 이론적 유량은 어둠스 matter의 일부만 WIMP이므로 ξ²로 재스케일링되어야 한다.