[論文レビュー] Clockwork Dark Matter

Daniele Teresi|arXiv (Cornell University)|May 26, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、電弱相互作用またはTeVスケールの状態とのO(1)結合を持つが、長寿命で不安定なダークマター（DM）粒子を生成するクロックワーク機構を提案する。これにより、初期宇宙における熱的凍結生成が可能になると同時に、指数的抑制によってDM崩壊が抑制される。主な結果として、コライダーおよびレプトンflavour違反実験でテスト可能な、WIMPに類似したDM候補が得られ、平坦な余剰次元の脱構築によって実現可能である。

ABSTRACT

I give a pedagogical discussion of thermal dark matter (DM) within the clockwork mechanism. The clockwork mechanism, which is a natural way to generate small numbers starting from order-one couplings, allows to have a long-lived, but unstable, DM particle that nevertheless has O(1) couplings with electroweak- or TeV-scale states. Remarkably, DM decays on time scales much longer than the age of the Universe and has at the same time sizeable couplings with light states, which therefore allow to produce it thermally within the WIMP paradigm. These new particles with large couplings can be searched for at current or future colliders. I also briefly comment on how this setup can minimally emerge from the deconstruction of an extra dimension in flat spacetime.

研究の動機と目的

• 熱的DM生成と長寿命DMの間の矛盾を解消し、急速な崩壊を避けるためにO(1)結合を可能にする。
• クロックワーク機構を用いて、O(1)結合から微小なDM崩壊率を自然に生成するメカニズムを提供する。
• クロックワーク構造が曲がった計量を避けて、平坦な5次元時空の脱構築から生じることを示す。
• TeVスケールの新しい物理状態を共有することで、DMの残滓密度と崩壊の理論的記述を結びつける。
• 将来の実験的テストのためのコライダーおよびレプトンflavour違反過程における観測可能なシグネチャを同定する。

提案手法

• N個の場を介したO(1)相互作用の連鎖を用いて、効果的結合が ∼1/q^N となるクロックワーク機構を用いる。
• 平坦な余剰次元上に配置された質量Mの5次元ボリュームフェルミオンを用い、N個のサイトに離散化する。
• クロックワーク構造が質量分裂mと結合q m を持つ4次元有効ラグランジアンとして現れるように導出する。
• 連続極限（N→∞）において、抑制因子q^N → e^{πRM} となり、有限かつ計算可能な階層が得られることを示す。
• 最も軽い質量固有状態がDM候補となり、指数的抑制によりSMへの結合が抑制されることを示す。
• 同じTeVスケールのクロックワーク状態がDMの対消滅（残滓密度の決定）と崩壊（間接検出信号）を媒介しており、特徴的な物性的関係を形成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O(1)結合を有するが、長寿命で、かつ熱的凍結生成とコライダー検出が可能なWIMPに類似したダークマター候補は実現可能か？
• RQ2 クロックワーク機構は、超プランクスケールまたはGUTスケールの媒介粒子を必要とせずに、O(1)結合から微小なDM崩壊率を生成できるか？
• RQ3 平坦な5次元時空の脱構築から、DM用のクロックワーク構造が得られるか、曲がったものではなく？
• RQ4 DMの対消滅と崩壊を媒介するクロックワーク状態のコライダーおよびレプトンflavour違反的シグネチャは何か？
• RQ5 クロックワーク抑制は、DMの残滓密度と間接検出制約にどのように影響を与えるか？

主な発見

• クロックワーク機構により、TeVスケールの状態とのO(1)結合を持つ長寿命のDM粒子が実現可能であり、正しい残滓密度を得るための熱的凍結生成が可能である。
• DM崩壊は ∼1/q^N の因子で抑制され、N ∼ log X であるため、O(1)結合であっても寿命τ ≳ 10^26 s となる。
• 同じTeVスケールのクロックワーク状態がDMの対消滅（残滓密度）と崩壊（間接検出）を媒介しており、特徴的な物性的関係が形成される。
• レプトン数保存則に従う過程は、LHCで300 fb⁻¹のデータでm_ψ ≈ 200 GeVまで、レプトン数破れ過程はm_ψ ≈ 300 GeVまで探査可能である。
• このモデルは観測可能なレプトンflavour違反シグネチャを予測しており、将来の実験では感度が数個のオーダー向上すると期待される。
• クロックワーク構造は、質量のあるボリュームフェルミオンと境界項を伴う平坦な5次元時空の脱構築から導出可能であり、整合的かつ最小限のUV完成形を提供する。