[論文レビュー] Conversion-driven freeze-out: Dark matter genesis beyond the WIMP paradigm

Mathias Garny, Jan Heisig+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、ダークマター（DM）の再結合機構として、自己散乱によるものではなく、非常に弱いDM-標準模型（SM）結合によって可能になるダークセクター内での変換過程によって、DMの残り滓密度が決定される、新規のダークマター凍結機構—変換駆動型凍結—を提案する。この機構により、DM質量が数TeVに達する場合でも、結合定数が10⁻⁷にまで低下しても実現可能となり、長寿命の媒介粒子を介したコライダー探索に適している。

ABSTRACT

We consider dark matter (DM) with very weak couplings to the standard model (SM), such that its self-annihilation cross section is much smaller than the canonical one, $\langleσv angle_{χχ} \ll 10^{-26}\mathrm{cm}^3/\mathrm{s}$. In this case DM self-annihilation is negligible for the dynamics of freeze-out and DM dilution is solely driven by efficient annihilation of heavier accompanying dark sector particles provided that DM maintains chemical equilibrium with the dark sector. This chemical equilibrium is established by conversion processes which require much smaller couplings to be efficient than annihilation. The chemical decoupling of DM from the SM can either be initiated by the freeze-out of annihilation, resembling a co-annihilation scenario, or of conversion processes, leading to the scenario of conversion-driven freeze-out. We focus on the latter and discuss its distinct phenomenology.

研究の動機と目的

• 標準的WIMPパラダイムを超えた、代替の熱的ダークマター凍結メカニズムの探求。
• DM自己散乱が無視できるにもかかわらず、ダークセクター内での変換過程によって残り滓密度が決定される状況の調査。
• マクロな媒介粒子崩壊長を有する弱結合DMの実現可能なパラメータ空間の同定。
• 長寿命粒子探索を通じて、宇宙論的残り滓密度制約とコライダーの素粒子理論を結びつける。
• 変換駆動型凍結が間接検出限界を回避しつつ、LHCで検出可能であることを示すこと。

提案手法

• スカラークォークパートナー（トップまたはボトム）とメジャノラフェルミオンDMを有するtチャネル媒介粒子モデルを提唱。
• DMおよびダークセクター粒子の豊度について、化学的平衡と分離を追跡する連立ボルツマン方程式を解く。
• 変換および散乱過程の熱平均断面積を用い、凍結時にΓcon/H ∼1とする。
• 化学的分離が散乱ではなく変換によって引き起こされることを仮定し、TCD,con ≳ TCD,ann を要求する。
• ハッブル定数と温度パラメータxdecを用いて媒介粒子の崩壊長を導出し、cτ ∼ 10 cm (mmed/1 TeV)⁻² (xdec/25)² を推定する。
• 長寿命粒子探索によるLHC制約を評価し、ずらしトラックやRハドロンのシグネチャを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期宇宙において、DMの残り滓密度が自己散乱ではなく、変換過程によって決定され得るか？
• RQ2 変換が凍結を駆動するダークセクターにおいて、宇宙論的およびコライダー的シグネチャは何か？
• RQ3 変換による成功した凍結を可能にするために、DM-SM結合はどのくらい小さくできるか？
• RQ4 このようなモデルにおける媒介粒子の期待される崩壊長は何か？ そして、LHC検出にどのように影響するか？
• RQ5 このメカニズムは間接検出制約を回避しつつ、コライダーで検出可能であるか？

主な発見

• 変換駆動型凍結により、⟨σv⟩χχ ≪ 10⁻²⁶ cm³/s の条件下でも、実現可能なDMの残り滓密度が得られ、間接検出限界を回避できる。
• この機構は、DM-SM結合が約10⁻⁷にまで低下しても成立し、直接的および間接的検出の範囲外にまで及ぶ。
• 媒介粒子の崩壊長は、質量とxdecに応じてミリメートルからメートルの範囲に及び、LHCにおける長寿命粒子のシグネチャを可能にする。
• トップ指向モデルでは、媒介粒子がトラッカー内に崩壊する（cτ ∼ mm–cm）、ずらしbジャストやねじれトラックを生成する。
• ボトム指向モデルでは、媒介粒子がしばしば検出器安定であり、長寿命の荷電Rハドロンを生成する。
• LHCにおける長寿命粒子探索は、特に300 fb⁻¹、13–14 TeVの条件下でトップ指向モデルの残りの実現可能なパラメータ空間を探索可能である。