We first review the evidence, production mechanisms, and possible candidates of dark matter. Due to the recent observations on cosmic microwave background anisotropies by WMAP, it is provided that about one fourth of the whole component of our universe is made of non-baryonic dark matter. Explaining this non-baryonic dark matter with right abundance in the present universe is one of the main motivations of theories beyond the Standard Model. We briefly review various candidates of non-baryonic dark matter in such theories. In the meantime, a variety of dark matter detection experiments are being performed and planned. They are classified as the direct detection by the recoil of target nuclei and the indirect detection by observing the other particles which may be produced from dark matter annihilations. We also introduce various direct/indirect detection experiments in this paper.
As such a trial to find the right dark matter model, a renormalizable model with a fermionic cold dark matter is proposed, which is a minimal extension beyond the Standard Model motivated only by the existence of dark matter. A minimal hidden sector consisting of a Standard Model gauge singlet Dirac fermion and a real singlet scalar is introduced. We show that the singlet fermion can be a candidate of the cold dark matter which explain the relic abundance measured by WMAP. We call this Singlet Fermionic Dark Matter model. The constraints on the masses and couplings at LEP2 are included and the elastic scattering cross sections for the direct detection are predicted. We find that most region of the parameter set will be probed by the direct detection through elastic scatterings of the dark matter with nuclei in the near future. We also have shown that a simple model of light singlet fermionic dark matter can reconcile the DAMA signal with other null experiments, while providing a right amount of dark matter relic density which is consistent with the WMAP observation. The $\It{t}$-channel pair annihilation of the light dark matters to the pair of light singlet Higgs particles, with subsequent Higgs decays to the Standard Model particles, would provide a large enough annihilation cross section to have a right amount of dark matter relic density. A region of parameter space with the context of light singlet fermionic dark matter, with the light singlet-like Higgs, can provide the spin-independent dark matter-nucleon scattering cross section which is compatible with the DAMA signal region and other null experiments, simultaneously.
암흑물질의 존재가 1933년 Fritz Zwicky의 Coma cluster 관측에 기인하여 처음 세상에 알려진 이래로 많은 연구가 진행되었다. Zwicky의 발견 이후에도 은하들의 회전 속도에 대한 분석, 일반 상대성 이론에 기인한 중력 렌즈 효과 관측, X-ray 관측 등을 통해 우리 우주에서 암흑물질의 존재를 관측할 수 있었는데, 그 중 2006년에 발견된 총알 성단(Bullet cluster)은 두 개의 성단이 충돌한 흔적으로서 지금까지 관측된 것들이 뉴턴 역학의 변형된 결과가 아니라 표준모형의 보통 입자들과 아주 작은 상호작용을 하는 암흑물질에 기인한 결과라는 것을 명백히 보여주었다. 물리학자들은 지금까지의 실험 결과를 바탕으로 그동안 이 암흑물질이 대체 어떤 물질로 구성되어있으며 어떤 성질을 가지는지 연구해왔다. 우주배경복사를 관측하기 위해 발사된 여러가지 위성 실험 결과에서는 이 암흑물질이 전체 우주의 1/4, 전체 물질의 4/5를 차지하고 우리가 지금까지 실험실에서 관측했던 중입자들(baryon)은 전체 우주에서 불과 3 - 4 %에 지나지 않는다는 놀라운 사실을 발견하였다. 그리하여 물질의 대다수를 차지하는 암흑물질을 설명하기 위해서는 중입자가 아닌 다른 물질을 그 후보로 삼고 연구해야한다는 결론을 얻었다. 암흑물질의 생성 메커니즘은 크게 두 가지로 분류할 수 있는데, 하나는 우주의 팽창으로 인해 암흑물질과 보통 물질의 상호작용이 약해졌고 이때 정해진 암흑물질의 양이 현재 관측된 암흑물질의 상대적인 밀도(relic density)를 결정한다는 열생성 메커니즘이고, 다른 하나는 암흑물질의 현재 밀도가 상호작용이 약해진 이후에 정해졌다는 비열생성 메커니즘이다. 암흑물질의 후보 중 가장 생각하기 쉬운 것이 표준모형의 중성미자(neutrino)이다. 하지만, 표준모형의 중성미자는 현재의 암흑물질 밀도를 설명할 수 없는 등 여러가지 문제점을 가지고 있어서 적절한 후보가 아니라고 결론이 났다. 따라서 암흑물질을 설명하기 위해서는 표준모형 입자가 아닌 다른 입자가 필요한데, 이것은 물리학자들이 표준모형을 넘어서는 새로운 물리 이론을 연구하는 중요한 이유 중 하나가 되었다. 여러가지 새로운 물리 이론에 따라 다양한 암흑물질이 존재하는데, 특히 약한 상호작용을 하는 무거운 입자(WIMP)가 가장 자연스러운 후보로 생각된다. 저자는 암흑물질 후보로서 표준모형이 아닌 모형에서의 중성미자들, 액시온 (axion), 가장 가벼운 초대칭 입자 (LSP), 가장 가벼운 여분 차원 입자 (LKP) 등에 대해 정리하고 분석하였다. 암흑물질에 대한 연구를 제대로 진행하기 위해서는 여러가지 검출 실험이 필요하다. 암흑물질 검출실험은 크게 두 가지로 나뉘는데, 하나는 실험실에서 직접 암흑물질과 보통 물질의 충돌을 관측하려고 하는 직접검출실험이고 다른 하나는 암흑물질이 그들끼리 충돌한 후 표준모형의 물질을 생성한 흔적을 지구 및 우주에서 검출하는 간접검출실험이다. 저자는 다양한 검출실험들에 대해 분석하고 정리하였다. 그 중 최근에 PAMELA와 Fermi 위성 실험에서 발견된 강력한 광자 및 양성자 신호는 많은 물리학자들을 흥분시켰는데, 학자들은 이 신호를 암흑물질끼리 쌍소멸한 후 쌍생성한 표준모형 입자들,혹은 표준우주론모형에 모순되지 않는 한에서 암흑물질이 붕괴하여 나타난 표준모형 입자들, 혹은 멀지 않은 곳에 위치한 펄사에 기인한 싱크로트론 복사 등 다양한 가능성을 염두해두고 분석하고 있다. 이 신호를 암흑물질의 간접신호로 설명하려면 1 - 2 TeV 정도의 무거운 암흑물질이 필요하며, PAMELA 실험에서 반양성자 초과 신호가 발견되지 않았으므로 암흑물질이 쌍생성 후 전부 렙톤만을 생성하는 성질을 가지고 있어야 한다고 예측되고 있다.
이 논문의 후반부에는 저자가 다른 공동연구자들과 함께 제안한 싱글렛 페르미온 형태의 암흑물질(SFDM)에 대해 서술하였다. 이 모델은 표준모형을 넘어서는 새로운 물리 이론이 단순히 암흑물질 후보만 설명할 수 있다고 단순화했을 때 나오는 모델 중 최소한의 입자들을 가지고 재규격화 가능한 모델이다. 저자는 이 모델에서 표준모형 게이지 상호작용의 영향을 받지 않는 숨겨진 섹터를 구성하는 입자로서 실수 성분을 가지는 스칼라 (scalar) 입자 하나와 디랙 (Dirac) 페르미온 입자 하나를 도입하였다. 그리고 이 싱글렛 페르미온은 표준모형 물질과 상호작용을 하지 않고 오직 싱글렛 스칼라와 상호작용을 하며 싱글렛 스칼라는 오직 표준모형 힉스 입자와의 상호작용을 통해서 표준모형 물질과 상호작용을 하도록 이론을 구성하였다. 이때 싱글렛 페르미온을 암흑물질이라고 생각하면 그것이 자연스럽게 약한 상호작용을 하는 무거운 입자가 될 수 있음을 알 수 있다. 저자는 이 싱글렛 페르미온 형태의 암흑물질이 위성 실험에서 제시하는 암흑물질의 현재 밀도를 충분히 설명할 수 있음을 보였다. 그리고 LEP2 실험 결과에 따른 작용상수 및 질량에 대한 조건을 고려했을 때에도 현재까지 여러가지 암흑물질 직접검출실험이 제시하는 한계선을 넘어설 수 있음을 보였다. 여기서 제시된 변수영역은 최근 설치된 새로운 직접검출실험에서 충분히 설명될 수 있는 영역이다. 최근에 DAMA 실험 참여자들은 그들의 실험에서 암흑물질을 직접 검출하는데 성공했다고 주장했으나 다른 검출실험에서는 같은 변수영역에서 암흑물질을 검출하는데 실패하였다. 그리하여 물리학자들은 이를 설명할 수 있는 암흑물질 모델에 대해 연구했는데, 저자는 싱글렛 페르미온 형태의 암흑물질이 굉장히 가볍고 싱글렛 스칼라가 표준모형 힉스와 상호작용이 굉장히 약하다고 가정했을 때, 채널링(channeling) 효과를 고려하면 이를 어느정도 해결할 수 있음을 증명하였다. 이 가벼운 암흑물질은 대부분 $\It{t}$-채널의 쌍생성을 통해 싱글렛에 가까운 힉스 입자를 쌍생성하고 이 힉스 입자가 표준모형 입자로 붕괴함으로써 현재의 암흑물질 밀도를 결정한다. 저자는 지금까지의 연구에 이어 일반적인 싱글렛 페르미온 형태의 암흑물질이 정말 존재하다면 LHC 실험에서 어떤 신호를 보여줄지 연구하고 있다. 특히 위에서 언급한 DAMA를 설명하는 변수영역, 혹은 최근의 간접검출실험 결과가 예측하듯이 굉장히 무겁지만 쌍소멸 후 전부 렙톤만을 생성하는 암흑물질의 변수영역에 주안점을 두고 있다. 이와 더불어 싱글렛 페르미온 형태의 암흑물질이 최근 PAMELA 및 Fermi 실험 H363
