[論文レビュー] Neutrino Signals from Gravitino Dark Matter with Broken R-Parity

Michael Grefe|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用数 15

ひとこと要約

本学位論文は、双線形R粒子対称性の破れを伴う超対称モデルにおけるグライビトロニクス暗黒物質の研究を行い、その崩壊断面積とニュートリノ信号を計算している。理論的にはニュートリノによる間接的検出が可能であるが、現在の実験では極めて困難であると判明しており、検出された場合には特徴的なシグナルを提供する可能性がある。

ABSTRACT

The gravitino is a promising supersymmetric dark matter candidate, even without strict R-parity conservation. In fact, with some small R-parity violation, gravitinos are sufficiently long-lived to constitute the dark matter of the universe, while the resulting cosmological scenario is consistent with primordial nucleosynthesis and the high reheating temperature needed for thermal leptogenesis. Furthermore, in this scenario the gravitino is unstable and might thus be accessible by indirect detection via its decay products. We compute in this thesis the partial decay widths for the gravitino in models with bilinear R-parity breaking. In addition, we determine the neutrino signal from astrophysical gravitino dark matter decays. Finally, we discuss the feasibility of detecting these neutrino signals in present and future neutrino experiments, and conclude that it will be a challenging task. Albeit, if detected, this distinctive signal might bring considerable support to the scenario of decaying gravitino dark matter.

研究の動機と目的

• R粒子対称性が破れたモデルにおけるグライビトロニクスが、長寿命ではあるが不安定な暗黒物質候補として成立するかを検討すること。
• 双線形R粒子対称性破れを介して、グライビトロニクスが標準模型粒子に崩壊する部分断面積を計算すること。
• 銀河ハロー内の天体的グライビトロニクス崩壊から生じるニュートリノエネルギースペクトルおよびフラックスを特定すること。
• 現在および将来のニュートリノ観測所におけるこれらのニュートリノ信号の検出可能性を評価すること。
• 観測された場合、このような信号が崩壊するグライビトロニクス暗黒物質の強力な証拠となるかどうかを評価すること。

提案手法

• 超重力理論における双線形R粒子対称性破れの文脈で、フェ Feynman 図式および量子場理論を用いてグライビトロニクスの部分崩壊断面積を計算する。
• Z⁰、W±、ヒッグスおよびゲージボソンを含む崩壊チャネルの運動論的解析を行い、それらのフラグメンテーションによるニュートリノ・アンチニュートリノ対生成を含む。
• ニュートリノが銀河を通過する際の伝播をシミュレートし、ニュートリノ振動およびエネルギー損失効果を考慮する。
• 特に電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノに注目し、大気および天体的源からのバックグラウンドフラックスを推定する。
• 水チェレンコフ検出器（例：Super-Kamiokande）を用いた検出可能性を評価し、イベントトポロジーと信号対バックグラウンド比をモデル化する。
• 宇宙論的制約、ビッグバン核合成、およびレプトゲネシスの制約を適用して、モデルのパrameter空間を制限する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 双線形R粒子対称性破れを伴うモデルにおけるグライビトロニクスの主要な崩壊チャネルおよび部分断面積は何か？
• RQ2 銀河的グライビトロニクス暗黒物質の崩壊から生じるニュートリノのエネルギースペクトルおよびフラックスはどのようなものか？
• RQ3 ニュートリノ振動および伝播効果は、グライビトロニクス崩壊からの検出可能なニュートリノ信号にどのように影響するか？
• RQ4 現在および将来の検出器における大気および天体的ニュートリノからの期待されるバックグラウンドは何か？
• RQ5 Super-Kamiokande や将来の検出器のような実験で、グライビトロニクス崩壊からのニュートリノ信号はバックグラウンドと区別可能か？

主な発見

• R粒子対称性破れモデルにおいてグライビトロニクスは、宇宙論的制約および熱的レプトゲネシスと整合する寿命を持つ長寿命な暗黒物質候補である。
• 主要な崩壊チャネルはZ⁰、W±およびヒッグスボソンであり、その後のフラグメンテーションによってニュートリノ・アンチニュートリノ対が生成される。ブランチ比はZ⁰およびW±チャネルでピークを示す。
• 得られるニュートリノ注入スペクトルはややソフトであり、10 GeV未満のエネルギーでピークを示す顕著なフラックスが支配的で、主にWおよびZ崩壊からのニュートリノが寄与している。
• 特にミューオンおよび電子ニュートリノからの大気的バックグラウンドは顕著であり、検出の主な障壁を形成する。
• タウニュートリノイベントはまれであるが、二重バングイベントという特徴的なトポロジーを示すため、明確なシグナルを提供するが、フラックスが低く、分離が困難である。
• Super-Kamiokandeでは現在の感度では検出は不確実であり、発見のための十分な信号対バックグラウンド比を得るには将来の検出器が必要である。