본 연구 논문에서는 표준 우주론 모델인 ΛCDM 모델에서 제기되는 S8/σ8 텐션을 해결하기 위해 '쌍둥이 암흑 물질(Gemini DM)'이라는 새로운 암흑 물질 모델을 제시합니다.
쌍둥이 암흑 물질 모델은 FN(Froggatt-Nielsen) 대칭을 암흑 sector로 확장하여 구성됩니다. FN 대칭은 입자 물리학의 표준 모델에서 쿼크와 렙톤의 질량 계층 문제를 설명하기 위해 제안된 메커니즘입니다. 본 모델에서는 세 종류의 암흑 페르미온(χ)을 도입하며, 그 중 두 개(χ1/2)는 질량이 거의 같고 나머지 하나(χ3)는 훨씬 무겁습니다. 질량이 거의 같은 두 입자를 '쌍둥이'라고 부르며, 이들은 현재 우주의 암흑 물질의 주요 구성 성분입니다. 무거운 입자는 '모 입자'로서 붕괴를 통해 쌍둥이 입자를 생성합니다.
모 입자(χ3)는 SM 입자의 열적 배경에서 비열적 동결(freeze-in) 과정을 통해 생성됩니다. FN 대칭에 따라 모 입자는 쌍둥이 입자(χ1/2)와 액시온(a)으로 붕괴하며, 이 과정에서 쌍둥이 암흑 물질이 생성됩니다.
쌍둥이 입자 중 하나(χ2)는 약간 무거우며, 가벼운 쌍둥이 입자(χ1)와 액시온으로 붕괴합니다. 이 붕괴는 우주 구조 형성에 영향을 미쳐 S8/σ8 텐션을 해결하는 데 기여합니다. 또한, 쌍둥이 암흑 물질의 생성 과정에서 액시온이 함께 생성되어 암흑 복사로 존재하게 됩니다.
쌍둥이 암흑 물질은 keV 수준의 가벼운 질량을 가지지만, 열적 평형 상태를 거치지 않고 모 입자의 붕괴를 통해 생성되기 때문에 차가운 암흑 물질로 분류됩니다. 따라서 기존의 keV 수준의 따뜻한 암흑 물질 모델에서 제기되는 라이만-알파 숲 관측 결과와의 불일치 문제를 피할 수 있습니다.
본 연구는 쌍둥이 암흑 물질 모델이 S8/σ8 텐션을 해결하고 암흑 복사의 존재를 예측하는 등 우주론적 문제에 대한 흥미로운 해결책을 제시한다는 점을 보여줍니다. 쌍둥이 암흑 물질 모델의 예측은 향후 CMB(우주 배경 복사) 관측을 통해 검증될 수 있을 것으로 기대됩니다. 특히, 차세대 CMB 실험에서 ∆Neff ≈ 0.027 수준의 추가적인 상대론적 자유도가 관측된다면 쌍둥이 암흑 물질 모델은 더욱 강력한 근거를 얻게 될 것입니다.
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Wichtige Erkenntnisse aus
by Andrew Cheek... um arxiv.org 10-16-2024
https://arxiv.org/pdf/2407.01099.pdfTiefere Fragen