[论文解读] Cold dark matter by heavy double charged leptons

Daniele Fargion, Maxim Khlopov+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文提出了一种基于两种重的、带相反双电荷轻子（E 和 P）的新冷暗物质候选者，每种轻子具有不同的轻子味量子数，通过一种近乎交换的几何框架形成稳定的中性 (EP) 原子。这些 (EP) 绑定态作为早期宇宙的宇宙遗迹出现，充当冷暗物质种子，并在复合过程中释放伽马光子，可在中微子观测站（如超级神冈）中留下可观测的信号。

ABSTRACT

A new candidate of cold dark matter arises by a novel elementary particle model that is adding two heavy leptons, each one sharing a double opposite electric charge and an own lepton flavor number: the almost-commutative (AC)-geometrical framework. In this scenario two new heavy ($ m_L \\geq 100 GeV$), oppositely double charged leptons (E,P), (E with charge -2 and P with charge +2 and opposite Z-charge), are born with no twin quark companions. Their final cosmic relics are bounded into "neutral" stable atoms (EP) forming the mysterious cold dark matter, in the spirit of the Glashow's Sinister model. An (EP) state is reached in the early Universe along a tail of a few secondary frozen exotic components. They should be now here somehow hidden in the surrounding matter. The two main secondary manifest relics are P (mostly hidden in a neutral (e e P) "anomalous helium" atom, at a 10^{-8} ratio) and a corresponding "ion" E bounded with an ordinary helium ion which preserves the leptons to later recombine with neutral (e e P) into (EP) evanescent states. In early and late cosmic stages (EP) gas is leading to cold dark matter gravity seeds. Binding (e e P)+(He E) into (EP) heavy lepton AC-"atoms" results in a steady decrease of the anomalous isotopes and a growing concentration of AC-gas. However the (He E) influence on Big Bang nucleo-synthesis and catalysis of nuclear transformations in terrestrial matter may be a serious problem (or advantage?) for the model, while effects of tens MeV gamma photons, accompanying (EP) recombination, should leave traces in Super-Kamiokande or SNO records.

研究动机与目标

• 提出一种基于两种重、双电荷、带相反电荷和轻子味量子数的轻子的新基本粒子模型，用于解释冷暗物质。
• 解释在早期宇宙中，这些 (EP) 绑定态如何作为宇宙遗迹形成稳定结构，从而对冷暗物质做出贡献。
• 研究这些奇异粒子的宇宙学与天体物理学影响，包括其对大爆炸核合成及在地球物质中催化作用的影响。
• 探索可观测的信号特征，例如 (EP) 复合过程中可能在超级神冈或SNO等探测器中观测到的数十MeV伽马光子。

提出的方法

• 引入两种新的重轻子（E 带 -2e 电荷，P 带 +2e 电荷），它们不与孪生夸克配对，作为近乎交换（AC）几何框架中的基本组分。
• 通过早期宇宙中晚期冻结的机制建模中性 (EP) 原子的形成，其中奇异组分形成次级遗迹的尾部。
• 分析 (e e P) 和 (He E) 系统的结合，导致 (EP) 原子的形成以及异常同位素的逐渐耗尽。
• 评估 (He E) 和 (e e P) 对大爆炸核合成及地球物质中核催化作用的影响，作为潜在的约束或优势。
• 预测在 (EP) 复合过程中会发射数十MeV的伽马光子，这些信号可能在大规模中微子观测站中被探测到。
• 考虑 AC 气体的长期演化，显示 (EP) 浓度持续上升，而异常同位素丰度持续下降。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使两种重的双电荷轻子在早期宇宙中形成稳定的中性束缚态，从而作为冷暗物质？
• RQ2 (He E) 和 (e e P) 系统对大爆炸核合成及地球物质中核催化作用的宇宙学影响是什么？
• RQ3 (EP) 原子的复合是否会产生可在超级神冈或SNO等中微子观测站中探测到的伽马射线信号？
• RQ4 近乎交换（AC）几何框架在支持这些奇异轻子的存在与稳定性方面起到什么作用？
• RQ5 (EP) 原子的浓度如何随宇宙时间演化？异常同位素如 (e e P) 和 (He E) 的最终命运是什么？

主要发现

• 该模型预测存在两种重的双电荷轻子（E 和 P），每种质量均 ≥ 100 GeV，它们通过形成稳定的 (EP) 原子作为宇宙遗迹存在。
• (EP) 绑定态通过早期宇宙中的次级、冻结过程形成，产生具有引力种子潜力的冷暗物质。
• 相当一部分 P 轻子以 (e e P) '异常氦' 原子形式被隐藏，其丰度比约为 10⁻⁸，而 E 轻子则与氦离子结合。
• (EP) 原子复合过程中会释放数十MeV的伽马光子，可能在超级神冈或SNO记录中留下可观测的痕迹。
• 该模型预测 (EP) 浓度随宇宙时间持续上升，而异常同位素丰度相应持续下降。
• (He E) 和 (e e P) 系统的存在可能显著影响大爆炸核合成，并在地球物质中催化核反应，对模型构成挑战或机遇。