[論文レビュー] Non-collider searches for stable massive particles

S. Burdin, Malcolm Fairbairn+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 164被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、加速器の到達範囲外の安定した大質量粒子（SMPs）—例えば磁気モノポール、ストレンジレット、ダークマター候補など—に対する非コライダー探索をレビューしている。宇宙線、物質内に閉じ込められた粒子、および天体観測の手法を統合し、さまざまなSMPタイプにおけるフラックスおよび密度の上限を確立し、SMPがダークマターを構成する可能性がある未探索の質量範囲を強調している。

ABSTRACT

The theoretical motivation for exotic stable massive particles (SMPs) and the results of SMP searches at non-collider facilities are reviewed. SMPs are defined such that they would be sufficiently long-lived so as to still exist in the cosmos either as Big Bang relics or secondary collision products, and sufficiently massive to be beyond the reach of any conceivable accelerator-based experiment. The discovery of SMPs would address a number of important questions in modern physics, such as the origin and composition of dark matter in the Universe and the unification of the fundamental forces. This review outlines the scenarios predicting SMPs and the techniques used at non-collider experiments to look for SMPs, eg in cosmic rays and bound in matter. The limits so far obtained on the fluxes and matter densities of SMPs which possess various detection-relevant properties such as electric and magnetic charge are given.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える、奇妙で安定した大質量粒子（SMPs）の理論的動機づけをレビューすること。これにはダークマターと統一理論が含まれる。
• 非コライダー探索で用いられる実験的手法を要約すること。主に宇宙線、物質内に閉じ込められた粒子、および天体観測に焦点を当てる。
• 電気的／磁気的電荷、質量、相互作用強度といったさまざまな性質を持つSMPsの、既存のフラックスおよび密度の上限を整理・解釈すること。
• 実験的カバー範囲のギャップを特定し、SMPがまだダークマターを構成する可能性がある未開拓の質量および性質の範囲を強調すること。
• コライダーでは到達できないTeVスケールの物理学を探索するため、拡張的かつ独創的な非コライダー実験の推進を提唱すること。

提案手法

• スケーリング理論モデルの体系的レビューにより、SMPsを予測するものとして、超対称粒子、磁気モノポール、Qボウル、ストレンジレット、原始ブラックホールを含む。
• 物質内でのSMPsのエネルギー損失メカニズム（イオン化、ハドロン相互作用、磁気モノポール結合など）の分析により、検出可能性を予測する。
• 質量スペクトロメトリー、放射化学的分析、原子分光法を用いて、物質中に結合したSMPsによって生成される重い同位体を検出する。
• 月の岩石、隕石、鉄製の炉など、誘導および抽出技術を用いて磁気モノポールを探索する。
• チェレンコフ光および水中／氷中観測所やプラスチック核トラック検出器を用いた宇宙線検出器の利用。
• 重力レンズ効果（マイクロレンズ、フェムトレンズ）、地震検出、および地熱異常や太陽の振動といった間接的シグナルを用いて、巨視的SMPsを調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型を超える安定した大質量粒子（SMPs）の存在に対する理論的動機づけは何か？
• RQ2 磁気モノポール、ストレンジレット、Qボウルといった異なるSMPタイプは、物質とどのように相互作用するのか？エネルギー損失メカニズムは何か？
• RQ3 宇宙線および地球的・宇宙的物質に閉じ込められたSMPsのフラックスおよび濃度に関する、現在の実験的上限は何か？
• RQ4 非コライダー実験は、LHCのようなコライダー実験では到達できないSMP質量をどのように探査するのか？
• RQ5 さまざまな質量および相互作用強度の範囲において、SMPsの実験的カバー範囲における主なギャップは何か？それらはどのように埋め合わせられるか？

主な発見

• 核的粒子（ストレンジレット）のフラックス上限は90％信頼区間で、約100 gから10^15 gの質量範囲にわたり顕著な未カバー領域を示しており、それらがダークマターを構成する可能性が残されている。
• 月のサンプル、隕石、極地方の火山岩における磁気モノポール探索は、きびしい上限を設定したが、確認された検出は得られていない。
• プラスチック核トラック検出器やチェレンコフ光放出を用いた宇宙線検出器は、100 GeV以上の質量に対して、フラックスを約10^-18 cm^-2 s^-1 sr^-1まで制限している。
• 地熱異常、太陽の振動、動的効果といった間接的探索により、巨視的SMPsに対する制約が示唆されているが、大きな不確実性を伴う。
• 原始ブラックホール（PBHs）がダークマターである可能性は、ホーキング放射によって強く制限されており、蒸発シグナルは超高エネルギー宇宙線およびガンマ線バーストを生成すると予想される。
• 蒸発するPBHsからのマイクロ秒スケールのガンマ線バーストにあてはまる証拠は得られなかったが、より短いバーストを検出するための改良された探索手法が提案されている。