[论文解读] Dark matter in the hidden gauge theory

Nodoka Yamanaka, Sho Fujibayashi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2014

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 19

一句话总结

本文提出一种宇宙学场景，其中暗物质（DM）源自在大统一尺度与标准模型（SM）统一的隐藏规范理论（HGT），为调和热历史与观测到的DM密度及重子子-光子比，需在SM领域引入迷你暴胀。研究显示，宇宙射线观测将大统一尺度约束在>10^16 GeV，且引力波、希格斯精确测量和DM晕结构是检验HGT场景的关键探针。

ABSTRACT

The cosmological scenario of the dark matter generated in the hidden gauge theory based on the grand unification is discussed. It is found that the stability of the dark matter halo of our Galaxy and the cosmic ray observation constrain, respectively, the dark matter mass and the unification scale between the standard model and the hidden gauge theory sectors. To obtain a phenomenologically consistent thermal evolution, the entropy of the standard model sector needs to be increased. We therefore propose a scenario where the mini-inflation is induced from the potential coupled to the Standard model sector, in particular the Higgs sector. This scenario makes consistent the current dark matter density as well as the baryon-to-photon ratio for the case of pion dark matter. For the glueball or heavy pion of hidden gauge theory, an additional mini-inflation in the standard model sector before the leptogenesis is required. We also propose the possibility to confirm this scenario by known prospective experimental approaches.

研究动机与目标

• 探索在大统一尺度与标准模型统一的隐藏SU(Nc)规范理论产生的暗物质在宇宙学上的可行性。
• 通过在SM领域引入迷你暴胀，解决基于HGT的DM模型中的热历史问题，以调和熵产生与观测到的DM密度及重子子-光子比。
• 利用间接暗物质探测（通过宇宙射线）约束SM与HGT之间的统一尺度。
• 识别可观测信号——引力波、希格斯精确测量和DM晕结构——以在未来实验中检验HGT场景。

提出的方法

• 提出一种由希格斯场与SM领域耦合触发的迷你暴胀情景，通过增加熵来匹配观测到的DM遗迹密度。
• 使用量纲分析估算DM衰变产生的宇宙射线通量，通过正电子谱约束大统一尺度。
• 应用HGT领域一阶相变产生的随机引力波背景公式，估算纯杨-米尔斯HGT的f ~ 10^-9 Hz和Ω_GW h² ~ 10^-16。
• 推导DM质量关系：m_ϕ ~ Λ_DM（胶球）和m_π ~ √(m_q Λ_DM)（π介子），基于手征凝聚和π介子衰变常数。
• 考虑在重子生成温度之上引入额外迷你暴胀的必要性，以适用于重HGT强子或纯杨-米尔斯领域。
• 评估未来观测的前景：B模式偏振、引力波探测（如SKA）、直线对撞机以及高精度DM晕结构测绘，以检验该模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使以暗物质为最轻强子的隐藏规范理论的热演化与观测到的暗物质密度及重子子-光子比保持一致？
• RQ2 宇宙射线观测对标准模型与隐藏规范理论之间统一尺度施加了何种约束？
• RQ3 SM领域中的迷你暴胀如何解决基于HGT的DM模型中的熵与遗迹密度问题？
• RQ4 哪些可观测信号——引力波、希格斯精确测量或宇宙射线能谱——可证实隐藏规范理论场景？
• RQ5 银河系暗物质晕的结构能否为自相互作用的HGT强子提供证据？

主要发现

• 银河系暗物质晕的稳定性对暗物质粒子质量构成约束，当DM不对称性为零时，排除SU(2) HGT强子作为主要DM组分。
• 宇宙射线观测，特别是正电子谱，将SM与HGT之间的统一尺度约束在大于10^16 GeV。
• 对于类似π介子的暗物质，所提出的SM领域迷你暴胀——可能由希格斯相变触发——可自然解释观测到的重子子-光子比。
• 对于胶球或重HGT强子，需在重子生成温度之上引入额外迷你暴胀，以实现一致的热演化。
• HGT领域一阶相变产生的随机引力波背景可能产生频率f ~ 10^-9 Hz、能量密度Ω_GW h² ~ 10^-16的信号，或可被平方公里阵列探测到。
• 未来对希格斯场的高精度测量、B模式偏振以及内晕DM密度剖面的观测，将为检验HGT场景提供关键实验手段。