[論文レビュー] Cosmology and direct detection of the Dark Axion Portal

Juan Cortabitarte Gutiérrez, Bradley J. Kavanagh+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、両方の粒子が宇宙のダークマター密度に寄与する混合ダークマターの枠組みとして、ダークアキソンポータルを提示する。eVスケールのダークフォトン（20–200 eV）とμeVスケールのアキソン（30–400 μeV）は、初期宇宙で一貫して生成され得るだけでなく、可視光子との運動的混合を介しても直接検出可能であることが示されている。

ABSTRACT

The Dark Axion Portal provides a model for Dark Matter (DM) in which both Dark Photons $γ^\prime$ and Axions $a$ can contribute to the present day abundance of DM. We study the parameter space of the Dark Axion Portal to pinpoint regions of the parameter space where $γ^\prime$ and $a$ can be produced with sufficient abundance to account for the cosmic DM density, while still being detectable in planned direct detection and axion haloscope experiments. In particular, we explore the production of eV-scale Dark Photons in the Dark Axion Portal, taking into account a possible kinetic mixing between the dark and visible photons, which is essential for the detection of dark photons through absorption in direct searches. We show that a non-zero kinetic mixing does not generally spoil the phenomenology of the model, leaving both the axion and dark photon stable. Viable production mechanisms point to a sub-dominant population of dark photons making up $\lesssim 10\%$ of the DM, with the remainder consisting of axion DM. Dark photons in the mass range $m_{γ^\prime} \sim 20-200\,\mathrm{eV}$ and axions in the mass range $m_a \sim 30 - 400\,μ\mathrm{eV}$ may be produced with these abundances self-consistently in the Dark Axion Portal and are within the reach of future direct searches.

研究の動機と目的

• 観測されたダークマター密度を両方の成分が説明できる、ダークアキソンポータルモデルにおける妥当なパラメータ空間を同定すること。
• DAMIC-M やアキソンハロスコープを含む、近い将来の直接検出実験におけるダークフォトンとアキソンの検出可能性を評価すること。
• ダークフォトンと可視光子の間の運動的混合が、モデルの安定性を損なわせることなく、ダークフォトンの直接検出を可能にする役割を調査すること。
• 両方のダークマター成分の正しい残り滓密度をもたらす、特にフリーズインを含む宇宙論的生成メカニズムを特定すること。

提案手法

• 擬スカラーのアキソン $a$ とベクトルのダークフォトン $\gamma'$ を含むダークアキソンポータルのモデル化。両者をポータル相互作用で結合する。
• 初期宇宙におけるアキソンおよびダークフォトンの生成メカニズムの分析。これには、インフレーション以前の不整合生成と、アキソン崩壊からのフリーズインが含まれる。
• 宇宙論的制約（例えば、再熱温度 $T_{\mathrm{RH}} < f_a$ およびダークフォトンの熱平衡化の回避）を適用する。
• ダークフォトン $\gamma'$ と可視光子の間の運動的混合 $\epsilon$ を用いて、DAMIC-M などのCCDベースの検出器による吸収検出を可能にする。
• 実験的制約と将来の実験の予想される感度を用いて、検出感度を評価する。
• 質量および結合定数パラメータの数値スキャンを実施し、$(m_{\gamma'}, m_a, \epsilon)$ パラメータ空間における妥当な領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークアキソンポータルモデルは、観測されたダークマター密度を両方の成分が満たすように、同時に十分な残り滓密度を生成できるか？
• RQ2 このモデルにおけるダークフォトンの安定性と検出可能性に運動的混合が及える影響は何か？
• RQ3 宇宙論的生成と将来の直接検出の両方に整合するアキソンおよびダークフォトンの質量範囲は何か？
• RQ4 インフレーション前または以降のアキソン生成といった、異なる初期条件が、妥当なパラメータ空間に与える影響は何か？
• RQ5 DAMIC-M やアキソンハロスコープといった将来の直接検出実験は、ダークアキソンポータルが予測するパラメータ空間を探索可能か？

主な発見

• モデルは、サブドミナントなダークフォトン成分（$\lesssim 10\%$）と支配的であるアキソン成分を含む、妥当なダークマター密度を支持する。
• ダークフォトン質量 $m_{\gamma'} \sim 20-200\ \text{eV}$ およびアキソン質量 $m_a \sim 30-400\ \mu\text{eV}$ の範囲では、フリーズインによる一貫した生成が可能であり、残り滓密度制約を満たす。
• 可視光子との運動的混合は、両粒子の安定性や残り滓密度を損なわないため、ダークフォトンの直接検出を可能にする。
• ダークフォトンの質量密度 $f_{\gamma'} = 1\%$ の場合、DAMIC-M の検出可能パラメータ空間が著しく拡大し、$(m_{\gamma'}, \epsilon)$ の新たな領域の探索が可能になる。
• モデルは、生成メカニズムとダークマター密度の相互作用を通じて、インフレーションおよび再熱スケールの宇宙論的プローブを提供する。
• アキソンとダークフォトンの同時検出は、標準模型を越えた初期宇宙物理学の間接的証拠を示す。