[論文レビュー] Thermal relic abundance of the lightest Kaluza-Klein particle in phenomenological universal extra dimension models

Yoshiaki Ishigure, M. Kakizaki+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、KK粒子の質量が最小のUED（mUED）値に制限されない現象論的ユニバーサル extra dimension（pUED）モデルにおいて、最小のKaluza-Klein光子（γ⁽¹⁾）の熱的残存密度を計算している。共凝集過程の効果が、γ⁽¹⁾と他の最初のKK粒子との間の質量縮退に強く依存することを示しており、1 TeVから数TeVの宇宙論的に妥当なコンパクト化スケールが、γ⁽¹⁾とほぼ縮退した1つのKK状態がある場合でも得られる。

ABSTRACT

Universal extra dimension models with Kaluza-Klein parity provide us excellent candidates for dark matter. We consider phenomenological universal extra dimension models where the Kaluza-Klein (KK) mass spectrum is different from that of the minimal universal extra dimension model, and compute the thermal relic abundance of the first KK mode of the photon taking into account the production of second KK particles. It is pointed out that its thermal relic abundance depends significantly on the mass degeneracy between the KK-photon and other KK particles because of considerable coannihilation effects. The cosmologically favored compactification scale is shown to range from around 1 TeV to a few TeV even in the cases where one of the first KK particles is tightly degenerate with the first KK photon in mass.

研究の動機と目的

• 任意のKK質量スペクトルを想定した現象論的ユニバーサル extra dimension（pUED）モデルにおける最初のKaluza-Klein光子（γ⁽¹⁾）の熱的残存密度を評価すること。
• 2番目のKK粒子を含む共凝集過程が、γ⁽¹⁾の残存密度に与える影響を調査すること。
• γ⁽¹⁾と他の最初のKK粒子との間の質量縮退を変化させた場合に、観測された暗黒物質密度Ωh² ≈ 0.12と整合するコンパクト化スケールの範囲を特定すること。
• KK質量スプリングの変動に対して、mUEDが予測するコンパクト化スケールの妥当性を評価すること。

提案手法

• 平坦な第5次元を有する5次元ユニバーサル extra dimensionモデルを用い、S¹/Z₂オービフォールド上でコンパクト化し、コンパクト化半径Rによってパラメータ化する。
• KK粒子の質量は、Z_B、Z_W、Z_tなどの場の強度パラメータによって定義され、これらはmUED仮定のZ ≈ 1とは異なる自由パラメータとして扱う。
• γ⁽¹⁾の熱的残存密度は、最初のKK粒子を含むすべての共凝集過程および2番目のKK粒子を含む最終状態を考慮して数値的に計算する。
• 質量縮退パラメータΔ_X = (m_X⁽¹⁾ − m_γ⁽¹⁾)/m_γ⁽¹⁾を用いて、mUED質量スペクトルからの逸脱を定量化する。
• ヒッグス質量パラメータμ = 0を仮定し、他の質量パラメータはmUED値（ΛR = 5）に設定するが、1つの選択された最初のKK粒子Xを除く。
• 2番目のKK粒子の共凝集頂点および崩壊モードは、一貫性を保つためにmUEDの相互作用に基づいてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pUEDモデルにおいて、最初のKaluza-Klein光子（γ⁽¹⁾）の熱的残存密度は、γ⁽¹⁾と他の最初のKK粒子との間の質量縮退にどのように依存するか？
• RQ2 2番目のKK粒子の生成が、効果的断面積およびγ⁽¹⁾の残存密度に与える影響は何か？
• RQ3 1つの最初のKK粒子がγ⁽¹⁾と非常に縮退している場合、mUED予測と比較して予測されるコンパクト化スケール1/Rはどのように変化するか？
• RQ4 任意のKK質量スプリングが許容される場合、観測された暗黒物質残存密度Ωh² ≈ 0.12と整合するコンパクト化スケールの範囲は何か？

主な発見

• 最初のKK光子（γ⁽¹⁾）の熱的残存密度は、他の最初のKK粒子との質量縮退に強く依存しており、顕著な共凝集効果が寄与している。
• 1つの最初のKK粒子がγ⁽¹⁾とほぼ縮退している場合でも、宇宙論的に好ましいコンパクト化スケール1/Rは約1 TeVから数TeVの範囲に留まる。
• 最終状態に2番目のKK粒子の生成を含めることで、効果的断面積が顕著に変化し、このような過程を無視するモデルと比較して残存密度の予測が大きくシフトする。
• mUED予測（図2の黒線）は、質量スプリングの変動に対しては頑健ではない。KK質量がmUED値に制限されない場合、許容される1/Rの範囲は著しく拡大する。
• Z⁽¹⁾の曲線が(1/R, Δ_X)平面で示す挙動は、W⁽²⁾±およびa⁽¹⁾±の崩壊チャネルの閾値に依存しており、共凝集過程における共鳴効果を示している。