軽い暗黒物質

天文学と宇宙論における軽い暗黒物質は、質量が 1 GeV未満の、暗黒物質の 弱く相互作用する巨大粒子(WIMP) 候補です。^{[1]これらの粒子は、}温かい暗黒物質や熱い暗黒物質よりも重いですが、巨大コンパクトハロー天体(MACHO)などの従来の形の冷たい暗黒物質よりも軽いです。 Lee - Weinberg境界^[2]は、弱い相互作用を介して相互作用する好ましい暗黒物質候補である WIMP の質量をGeV に制限します。 この境界は次のように発生します。 WIMP の質量が低いほど、消滅断面積が低くなり、そのオーダーになります。ここで、mは WIMP の質量、M はZ ボソンの質量です。 これは、初期宇宙で大量に生成された低質量 WIMP が、高質量 WIMP よりもはるかに早く、したがってより高い温度で凍結 (つまり、相互作用を停止) することを意味します。質量がGeV より低い場合、WIMP の残存密度は宇宙を覆い尽くすことになります。 ${\displaystyle \approx 2}$${\displaystyle \approx m^{2}/M^{4}}$${\displaystyle \sim 2}$

電弱スケール以下の新たな力を導入せずにリー＝ワインバーグ限界を回避できる数少ない抜け穴のいくつかは、加速器実験（CERN、Tevatronなど）やB中間子の崩壊によって排除されている。^[3]

軽い暗黒物質モデルを構築する現実的な方法は、新しい軽いボソンを仮定することです。これにより消滅断面積が増加し、暗黒物質粒子と標準モデルとの結合が減少し、加速器実験と一致するようになります。^{[4] [5] [6]}

軽い暗黒物質粒子を探す現在の方法には、電子反跳による直接検出が含まれます。

近年、軽い暗黒物質は理論の多くの利点もあって人気が高まっています。サブGeV暗黒物質は、INTEGRALによって観測された銀河中心の陽電子過剰、銀河中心^[7]からの過剰ガンマ線、および銀河系外源を説明するために使用されてきました。また、軽い暗黒物質は、さまざまな実験で測定された微細構造定数のわずかな矛盾を説明できる可能性があることも示唆されています。^[8]さらに、直接検出実験で高エネルギー範囲に暗黒物質信号が不足していることは、サブGeVの探索を促進しています。

2 GeVを超えるWIMPの質量を予測する一般的なフリーズアウトモデルではWIMPの質量に制約があるため、より低質量の暗黒物質粒子を許容するようにフリーズアウトモデルを変更する必要があります。^[9]

暗黒物質粒子の質量を2GeV以上に制限するリー・ワインバーグ限界は、暗黒物質がスカラー粒子である2つの特殊な場合には適用されない可能性がある。^[2]

最初のケースでは、スカラー暗黒物質粒子が質量を持つフェルミオンと結合している必要がある。このモデルでは、ガンマ線生成の観測がこの質量範囲の粒子の理論的予測と一致しないため、100 MeV未満の暗黒物質粒子は除外される。この矛盾は、暗黒物質粒子と反粒子の間に非対称性を要求し、新しい粒子を追加することで解決できるかもしれない。^[4]

2番目のケースでは、スカラー暗黒物質粒子が新しいゲージボソンと結合すると予測されます。この場合、消滅によるガンマ線の生成は非常に低いと予測されます。^[4]

熱凍結モデルは、ビッグバン直後の暗黒物質粒子は非常に弱い相互作用をしており、本質的にプラズマから切り離されていたと提唱している。さらに、その初期の存在量は少なかった。暗黒物質の生成は、主にプラズマの温度が暗黒物質粒子自体の質量を下回ったときに起こる。これは、暗黒物質の初期の存在量が多く、プラズマの温度が低下するにつれてより軽い粒子への分化が減少し、最終的に停止するという熱凍結理論とは対照的である。^[10]

フリーズインモデルでは、2GeVの質量限界をはるかに下回る暗黒物質粒子の存在が許容される。^[11]

観測によると、暗黒物質の密度はバリオン物質の密度の約5倍である。非対称暗黒物質理論は、粒子と反粒子の数密度の比率がバリオン物質と暗黒物質で同じであると示唆することで、この関係を説明しようとしている。これはさらに、暗黒物質の質量がバリオン物質の質量の5倍に近く、暗黒物質の質量が数GeVの範囲にあることを示唆している。^[12]

一般的に、すべての重い暗黒物質候補に適用される暗黒物質検出方法は、軽い暗黒物質にも適用されます。これらの方法には、直接検出と間接検出があります。1 GeV より軽い質量の暗黒物質粒子は、電子反跳を探索することで直接検出できます。この方法を使用する際の最大の難しさは、検出に十分な閾値エネルギーを持ちながら、バックグラウンド信号を最小限に抑える検出器を作成することです。電子ビームダンプ実験も軽い暗黒物質粒子の探索に使用できます。^[13]

XENON10は、電子反跳を直接検出することで暗黒物質の質量を探索し、その限界を設定する液体キセノン検出器です。この実験は、2012年に直接検出を使用して暗黒物質の質量のサブGeV限界を初めて設定しました。^[14]

SENSEIは、CCD技術を使用して500keVから4MeVまでの暗黒物質粒子の電子反跳を測定できるシリコン検出器です。^[15]この実験は、1GeV未満の暗黒物質の可能性のある質量範囲をさらに排除するために取り組んでおり、最新の結果は2020年10月に発表されました。^[16]

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• 極小超対称標準モデル
• ニュートラリノ
• スカラー場暗黒物質
• 弱い相互作用をする質量の大きい粒子
• 弱い相互作用をする細長い粒子

• ベルトーネ、ジャンフランコ (2010)。粒子暗黒物質：観察、モデル、探索。ケンブリッジ大学出版局。p. 762。Bibcode : 2010pdmo.book..... B。ISBN 978-0-521-76368-4。