[论文解读] Phenomenology of quintessino dark matter

Xiaojun Bi, Jianxiong Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2004

Computational Physics and Python Applications被引用 5

一句话总结

本文提出，负责宇宙加速的标量场的超对称伴粒子——五重子（quintessino），构成暗物质。通过建模高能宇宙中微子与地球物质的相互作用，该研究计算出在1 km²探测器中每年可探测到1至300起事件，为超对称暗物质提供了新颖的搜索通道，并可推广至 gravitino/axino 情形。

ABSTRACT

In the model of quintessino as dark matter particle, the dark matter and dark energy are unified in one superfield, where the dynamics of the Quintessence drives the Universe acceleration and its superpartner, quintessino, makes up the dark matter of the Universe. This scenario predicts the existence of long lived $ ilde{ au}$ as the next lightest supersymmetric particle. In this paper we study the possibility of detecting $ ilde{ au}$ produced by the high energy cosmic neutrinos interacting with the earth matter. By a detailed calculation we find that the event rate is one to several hundred per year at a detector with effective area of $1 km^2$. The study in this paper can be also applied for models of gravitino or axino dark matter particles.

研究动机与目标

• 探索通过单一超多重态统一暗能量与暗物质的五重子作为暗物质候选者的现象学。
• 研究由高能宇宙中微子与地球物质相互作用产生的长寿命 $\tilde{\tau}$ 粒子的可探测性。
• 评估利用大面积极探测器探测此类粒子的可行性，估算实验设计所需的事件率。
• 将该框架推广至其他弱相互作用暗物质候选者，如 gravitino 或 axino。

提出的方法

• 通过五重子超多重态的超对称耦合，建模高能宇宙中微子与地球物质的相互作用，产生 $\tilde{\tau}$ 粒子。
• 应用相对论性运动学与截面计算，确定 $\tilde{\tau}$ 在地球内部的产生率。
• 在假设 $\tilde{\tau}$ 长寿命且探测条件稳定的情况下，利用1 km²探测器有效面积估算事件率。
• 利用五重子模型的超对称扩展框架，将结果推广至 gravitino 和 axino 暗物质情景。
• 对中微子通量和相互作用截面进行详细数值积分，推导出年事件率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1 km²探测器中，由宇宙中微子产生的 $\tilde{\tau}$ 粒子预计的探测事件率是多少？
• RQ2 $\tilde{\tau}$ 的长寿命如何影响其在地球基实验中的可探测性？
• RQ3 该探测框架在多大程度上可推广至其他次轻量级超对称粒子，如 gravitino 或 axino？
• RQ4 五重子超多重态在统一暗能量与暗物质动力学中起什么作用？
• RQ5 高能中微子相互作用的运动学如何影响 $\tilde{\tau}$ 的产生截面？

主要发现

• 该模型预测，在1 km²探测器中，$\tilde{\tau}$ 的年探测事件率为1至数百起，具体取决于中微子通量和耦合强度。
• $\tilde{\tau}$ 的长寿命使其在大规模地面探测器中具备足够的传播与探测能力。
• 该探测机制适用于一类广泛模型，其中次轻量级超对称粒子是类似五重子场的费米子伴。
• 结果可直接应用于 gravitino 和 axino 暗物质情景，表明不同超对称暗物质候选者可采用统一的探测策略。
• 事件率对中微子能量谱以及五重子超多重态与标准模型粒子之间的耦合强度敏感。