[論文レビュー] Magnetic monopoles, nuclearites, Q-balls: a qualitative picture

Dikra Bakari, S. Cecchini+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2000

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 5被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、磁気モノポール、核子体（奇妙クォーク物質の小さな塊）およびQボウルが冷たい暗黒物質の成分である可能性を定性的に分析し、質量-サイズ関係および天体物理学的フラックス限界に焦点を当てる。これらの粒子の半径と質量のスケーリング則を導出し、銀河の暗黒物質密度と速度の仮定に基づいて宇宙フラックスを制約し、MACROやSLIMなどの現在の実験が、超重い粒子について約10⁻¹⁶〜10⁻¹⁵ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹の上界を設定していることを示している。

ABSTRACT

We present qualitative pictures of the structures of magnetic monopoles (MMs), nuclearites (nuggets of strange quark matter, strangelets, surrounded by electrons) and Q-balls (supersymmetric states of squarks, sleptons and Higgs fields). In particular we discuss the relation between their mass and size. MMs, nuclearites and Q-balls could be part of the cold Dark Matter (DM); we consider astrophysical limits on the flux of these particles in the cosmic radiation.

研究の動機と目的

• 磁気モノポール、核子体、Qボウルの構造的性質および質量-サイズ関係が、冷たい暗黒物質の構成要素としてどのように関連するかを調査すること。
• エネルギースケールと対称性の自発的破れ機構に基づいた、それらの内部構造に関する定性的モデルを導出すること。
• それらの粒子が局所的な暗黒物質密度に寄与すると仮定した場合、宇宙放射線における天体物理学的フラックス限界を推定すること。
• 物質内でのエネルギー損失およびプロトン崩壊の触媒作用やパイオン放出といった間接的信号を通じた検出可能性を評価すること。
• 理論的フラックス限界とMACROおよびSLIM実験からの実験的上界を比較すること。

提案手法

• 大統一理論（GUT）および中間スケールの対称性の破れモデルを用いて、磁気モノポールの層状内部構造（異なるエネルギースケールに対応）を記述する。
• 有効場理論から導かれるスケーリング則を適用し、質量と半径の関係を記述する：核子体については R_N ∝ M^{1/3}、Qボウルについては M_S が固定された場合 R_Q ∝ M_Q^{1/3} となる。
• 局所的な暗黒物質エネルギー密度を 0.3 GeV/cm³、典型的な速度を β ≈ 10⁻³ と仮定して、宇宙フラックスの上界を計算する。
• モノポールおよびダイオン探索の既知の実験的限界と、プロトン崩壊の触媒作用に関する制約をスケーリングしてフラックス限界を推定する。
• 銀河の磁場による加速を考慮し、モノポールの速度とエネルギーを増加させることで、Parker限界および拡張Parker限界を用いてより厳しいフラックス限界を導出する。
• 物質内でのエネルギー損失計算を用いて、シンチレーション検出器およびイオン化検出器における検出可能性をモデル化し、SECS（遅く、エネルギー損失が大きい）とSENS（速く、パイオン放出あり）のタイプの違いを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超重いGUT磁気モノポールの内部構造は何か？ それは質量および対称性の破れスケールとどのように関係するか？
• RQ2 核子体およびQボウルの質量とサイズは、全質量に対してどのようにスケーリングするか？ また、それらの安定性を決定づける要因は何か？
• RQ3 それらの粒子が銀河の暗黒物質ハローに含まれると仮定した場合、宇宙放射線における天体物理学的フラックス限界は何か？
• RQ4 銀河の磁場は、速度とエネルギーの増加を通じて、磁気モノポールの検出可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 地下検出器におけるこれらの粒子の検出可能なシグナルは何か？ また、SECS型とSENS型ではどのように異なるか？

主な発見

• 核子体の半径は R_N ∝ M^{1/3} に比例し、質量が約10¹⁴ GeV/c²のとき典型的なサイズは約10 fmであり、核子スケールの次元と整合的である。
• Qボウルについては、R_Q ∝ M_Q^{1/3} に比例し、M_S = 100 GeV/c² のとき R_Q ≈ 0.39 fm × (M_Q / 100 GeV/c²)^{1/3} となる。これは、原子核と同等のコアサイズを示唆している。
• 核子体およびQボウルのフラックス上界は、局所的な暗黒物質密度が完全に満たされていると仮定した場合、10¹⁴ GeV/c² 以上の質量に対して約10⁻¹⁶ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹と推定される。
• β ≈ 10⁻³ の磁気モノポールでは、フラックス上界が約10⁻¹⁶ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹であるが、銀河の磁場によって加速される場合、この制約は著しく緩和される。
• Parker限界および拡張Parker限界は、磁場強度や加速の程度に応じて、10⁻¹⁵ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹ またはそれ以下のフラックスを制約する。
• MACROやSLIMといった実験は、超重い粒子について約10⁻¹⁶〜10⁻¹⁵ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹ のフラックス限界を設定でき、モノポールによるプロトン崩壊の触媒作用にも感度を持つ。