軽い暗黒物質

軽い暗黒物質（かるいあんこくぶっしつ、light dark matter）とは、天文学や宇宙論において、質量が1 GeV未満のWIMP暗黒物質を指す^[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く、Massive Compact Halo Objects （MACHO）などの従来の形式の冷たい暗黒物質よりも軽い。

Lee-Weinberg限界^[2]によると、弱い相互作用を持つWIMPの質量は${\displaystyle 2}$ GeV以上でなければならない。なぜなら；軽いWIMPほど対消滅断面積は ${\displaystyle \approx m^{2}/M^{4}}$に比例して小さくなる。ここで ${\displaystyle m}$ はWIMPの質量、${\displaystyle M}$ はZボソンの質量である。これは軽いWIMPが重いWIMPよりもはるかに早く、したがって高温で「凍結」（相互作用が停止）することを意味する。軽いWIMPほど初期宇宙で豊富に生成されるため、これにより現在の残存WIMP密度が高くなる。もしWIMP質量が${\displaystyle \sim 2}$ GeV 以下だとすると、WIMP残存密度が宇宙を覆い尽くしてしまう。

電弱スケール以下の新しい力を導入せずにこの限界を回避する方法もあるが、加速器実験（CERN、テバトロン）やB中間子の崩壊の観測によって否定されている^[3]。したがって、軽い暗黒物質モデルを構築するためには、新しい軽いボソンを仮定することが必要である。これにより、対消滅断面積が増加し、暗黒物質粒子の標準模型への結合が減少し、加速器実験との整合性が保たれる^[4][5][6]。