[논문 리뷰] Particle candidates for dark matter: a case for (dominant or subdominant) relic neutralinos

A. Bottino, Fiorenza Donato외 2명|ArXiv.org|2001. 05. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 모델에서 안정하고 약하게 상호작용하는 대량 입자인 유물 중성류가 어두운 물질 밀도를 지배하거나 지배하지 않는 경우에도 타당한 어두운 물질 후보가 될 수 있다고 주장한다. 천체물리적 및 직접 탐지 제약 조건을 사용하여, 현재의 WIMP 직접 탐지 실험들이 낮은 밀도 중성류 시나리오조차도 상당한 범위의 초대칭 매개변수 공간을 탐사하고 있음을 보여주며, 이는 직접 및 간접 탐지 실험에 대한 함의를 가진다.

ABSTRACT

After a short introduction on particle candidates for dark matter within possible extensions of the standard model, we concentrate on Weakly Interacting Massive Particles, and on one of their most interesting physical realizations: the neutralino. We analyze how detectability of relic neutralinos by direct and indirect means is related to their local and cosmological densities; we use simple general arguments to discusss different scenarios where relic neutralinos make up the dominant bulk of dark matter or only a small fraction of it. Our general arguments are further corroborated by specific numerical results. We show to which extent the present experiments of direct searches for WIMPs, when interpreted in terms of relic neutralinos, probe interesting regions of the supersymmetric parameter space. Our analysis is performed in a number of different supersymmetric schemes.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델의 초대칭 확장 내에서 유물 중성류가 어두운 물질 후보로 타당한지 평가하기.
• 그들의 천체물리적 밀도에 관계없이 직접 및 간접 WIMP 탐지 실험을 통한 중성류 탐지 가능성 평가하기.
• 현재 실험 제약 조건이 중성류 어두운 물질로 해석될 경우 초대칭 매개변수 공간이 얼마나 제약을 받는지 평가하기.
• SUGRA와 effMSSM와 같은 다양한 초대칭 프레임워크가 관측 및 실험 제약 조건과 얼마나 잘 맞는지 비교하기.
• 은하핵 속도 분포 및 결합 상수의 불확실성이 직접 탐지 결과 해석에 미치는 영향을 검토하기.

제안 방법

• 초기 우주에서 열적 평형 상태에서 중성류의 동결 및 유물 밀도를 분석하기 위해 표준 천체물리적 동결 계산을 사용하기.
• SUGRA와 effMSSM를 포함한 여러 초대칭 모델에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하여 중성류 질량과 WIMP-핵자 산란 확률의 매개변수 공간을 매핑하기.
• 지역 및 천체물리적 중성류 밀도 간의 관계를 보여주기 위해 ρχ vs. Ωχh² 그림을 구성하기.
• 은하핵의 대규모 회전과 비대칭 WIMP 속도 분포의 불확실성을 포함하여 현실적인 탐지 감도 경계를 모델링하기.
• 가속기 데이터(예: LEP 힉스 신호) 및 간접 탐지 제약(예: 상향 방향 뮤온, 반프로톤)을 적용하여 타당한 매개변수 영역을 정밀화하기.
• 핵자 산란 확률에 대한 강입자 행렬 원소의 불확실성에 민감도를 평가하기 위해 두 가지 셋(셋 1과 셋 2)의 쿼크 콘덴세이트 값을 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 지역 및 천체물리적 밀도를 가진 유물 중성류도 현재의 직접 WIMP 탐지 실험으로 탐지 가능할 수 있는가?
• RQ2 현재의 직접 탐지 실험들이 가속기 제약 조건과도 일치하는 초대칭 매개변수 공간을 어느 정도 탐사하는가?
• RQ3 중성류가 우주에서 지배적 또는 지배하지 않는 밀도를 가질 경우, 직접 및 간접 방법에 의한 탐지 가능성은 어떻게 달라지는가?
• RQ4 은하핵 속도 분포 및 강입자 행렬 원소의 불확실성이 직접 탐지 데이터 해석에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 DAMA 협동 연구가 보고한 연간 변동 신호는 현재 이론적 및 실험적 제약 조건 하에서 유물 중성류에 의해 일관적으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 현재의 직접 탐지 실험들은 LEP 힉스 신호와 같은 모든 가속기 제약 조건과 일치하는 초대칭 매개변수 공간 영역을 탐사하고 있다.
• 중성류가 총 어두운 물질 밀도에 부분적으로 기여하더라도, 그들의 직접 탐지 가능성은 여전히 타당하며, 특히 낮은 밀도 시나리오에서는 더욱 그렇다.
• ρχ vs. Ωχh² 그림은 매우 낮은 지역 및 천체물리적 중성류 밀도 조건에서도 탐지 가능성은 가능함을 보여주며, 높은 밀도 후보자들만 관측 가능하다는 가정을 도전한다.
• SUGRA에 비해 unification 가정의 불확실성이 적기 때문에 effMSSM 프레임워크는 중성류 현상학에 대해 더 강력하고 민첩한 모델을 제공한다.
• 은하핵 속도 분포 및 강입자 행렬 원소의 불확실성을 적절히 고려할 경우, DAMA의 연간 변동 신호는 유물 중성류에 기인한 것으로 일관되게 설명될 수 있다.
• 쿼크 콘덴세이트 값에 대해 셋 2를 사용할 경우 산란 확률이 약 3배 증가하여 매개변수 공간 내 탐지 가능 영역이 크게 확장된다.