[論文レビュー] Dark Matter's secret liaisons: phenomenology of a dark U(1) sector with bound states

Marco Cirelli, Paolo Panci+3 more|INFM-OAR (INFN Catania)|Dec 21, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 216被引用数 117

ひとこと要約

この論文は、束縛状態形成を伴うダーク U(1) セクターを分析し、遺物密度と間接検出信号を計算し、宇宙論と天体物理学的探索から制約を導出します。

ABSTRACT

Dark matter (DM) charged under a dark U(1) force appears in many extensions of the Standard Model, and has been invoked to explain anomalies in cosmic-ray data, as well as a self-interacting DM candidate. In this paper, we perform a comprehensive phenomenological analysis of such a model, assuming that the DM abundance arises from the thermal freeze-out of the dark interactions. We include, for the first time, bound-state effects both in the DM production and in the indirect detection signals, and quantify their importance for Fermi, AMS, and CMB experiments. We find that DM in the mass range 1 GeV to 100 TeV, annihilating into dark photons of MeV to GeV mass, is in conflict with observations. Instead, DM annihilation into heavier dark photons is viable. We point out that the late decays of multi-GeV dark photons can produce significant entropy and thus dilute the DM density. This can lower considerably the dark coupling needed to obtain the DM abundance, and in turn relax the existing constraints.

研究の動機と目的

• 新しいダーク U(1) で荷電するダークマターを動機づけて研究する。媒介として質量を持つダーク光子を用いる。
• ダークセクター内での束縛状態形成と崩壊効果を含む遺物密度を計算する。
• ビームダンプ実験、超新星、直接検出、BBN からの制約を評価する。
• ガンマ線、反陽子、および CMB の異方性からの間接検出信号を調査する。
• マルチ GeV を超えるダーク光子の遅い崩壊が DM を希釈し、制約を緩和する可能性を探る。）
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提案手法

• ハイパーチャージとの動的混合を持つダーク光子 V_D に結合されたディラックフェルミン DM X を設定する。
• 基底状態 BSF チャネルを含む消滅断面積と束縛状態形成断面積を計算し、基底状態の BSF チャネルとその崩壊（2つまたは3つの V_D への崩壊）を含める。
• 動的混合を介して SM 状態へのダーク光子の崩壊を説明し、対応する分岐比を決定する。
• 熱的フリーズアウトが観測された DM 密度を与えるように、ダークセクター結合 alpha_D を M_DM および m_VD と関連づける。
• 遺物密度計算に束縛状態効果を組み込み、宇宙論および間接探査からの制約へ伝搬させる。
• 天の川銀河と矮小銀河の速度分布を用いて断面積と信号スペクトルを評価する。

Figure 1: DM annihilation directly into dark photons (left), and via the 2-step process of formation and subsequent decay of bound states (right), for the case of para- and ortho- configurations (top and bottom diagrams, respectively). The dark photons $V_{D}$ are produced on-shell and decay into SM

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダーク U(1) モデルにおける束縛状態形成は熱的遺物密度にどのような影響を与えるのか？
• RQ2 BSF を含めた場合、(M_DM, m_VD, alpha_D, epsilon) のどの領域が宇宙論的および天体物理学的制約と適合するか？
• RQ3 束縛状態の崩壊とダーク光子の崩壊が観測可能な間接検出信号を生み出す条件はどのようなときか？
• RQ4 より重いダーク光子の遅い崩壊は DM 密度を希釈し、結合/制約を緩和することができるか？
• RQ5 このシナリオに対して最も強力な制約を提供する間接検出チャネル（ガンマ線、反陽子、CMB）はどれか？

主な発見

• 束縛状態形成を含めると、観測された DM 密度を達成するために必要なダーク結合が小さくなる。
• 質量が 1 GeV から 100 TeV の DM が MeV–GeV のダーク光子に annihilate する場合は観測と対立するが、より重いダーク光子への annihilation は依然として実行可能。
• マルチ-GeV ダーク光子の遅い崩壊はエントロピーを注入し DM 密度を希釈し、モデルへの制約を弱める。
• Fermi、AMS-02、Planck CMB データを用いた間接探査はパラメータ空間に有意な制約を与える。
• 解析は annihilation および BSF 断面積の共鳴を強調し、断面積におけるクーロン領域と Yukawa 効果の重要性を示している。
• BSF は矮星と天の川銀河で重要であるが、CMB時代の DM 速度では無視できる。

Figure 2: The parameter space considered in this work. The dark fine structure constant $\alpha_{{D}}$ is determined on this plane, by requiring that the observed DM abundance arises from thermal freeze-out in the dark sector. Below the dashed blue line, the Bohr momentum is larger than the mediator