[論文レビュー] DirectDM: a tool for dark matter direct detection

Fady Bishara, Joachim Brod+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 47

ひとこと要約

DirectDM は、電弱スケールにおけるダークマターの相互作用を記述する相対論的効果的場理論（EFT）オペレーター（クォーク、グルーオン、光子との相互作用を含む）を、核子散乱のための非相対論的EFTオペレーターにマッチングすることで、ダークマター直接検出率を計算するMathematicaパッケージである。1ループのQCDおよびQEDの整合性群の発展を含み、DMFormFactorと連携してイベントレートを計算可能であり、ウィルスン係数を除いて最小限のユーザー入力で、ダークマターモデルの効率的な解析を可能にする。

ABSTRACT

We provide a Mathematica package, DirectDM, that takes as input the Wilson coefficients of the relativistic effective theory describing the interactions of dark matter with quarks, gluons and photons, and matches it onto an effective theory describing the interactions of dark matter with neutrons and protons. The nonperturbative matching is performed at leading order in a chiral expansion. The one-loop QCD and QED renormalization-group evolution from the electroweak scale down to the hadronic scale, as well as finite corrections at the heavy quark thresholds are taken into account. We also provide an interface with the package DMFormFactor so that, starting from the relativistic effective theory, one can directly obtain the event rates for direct detection experiments.

研究の動機と目的

• ダークマター相互作用の相対論的EFTと直接検出のための核子レベル有効理論を結ぶ計算ツールを提供すること。
• バリオンとハドロンの相互作用の間の非摂動的マッチングを、チェイリカル摂動論の1次にまで制限して自動化すること。
• 電弱スケールからハドロンスケールまでの一回のループQCDおよびQEDの整合性群発展を組み込むこと。
• DMFormFactorパッケージと連携することで、直接検出実験のイベントレートを直接計算可能にすること。
• ディラック、マヨラナ、スカラーフェルミオンを含む複数のダークマター種別を扱い、ウィルスン係数の入力に標準化されたインターフェースを提供すること。

提案手法

• パッケージは、電弱スケールにおけるクォーク、グルーオン、光子と相互作用するダークマターの相対論的EFTオペレーターのウィルスン係数を入力として受ける。
• チャイral摂動論の1次にまで制限した非摂動的マッチングを、クォークレベルから核子レベルのオペレーターに実行する。
• 電弱スケールからハドロンスケールまでの一回のループQCDおよびQEDの整合性群発展を計算し、重いクォークのしきい値での有限補正を含む。
• パッケージは、DMFormFactorパッケージとの組み込みインターフェースを備え、相対論的EFT入力から直接検出のイベントレートを直接計算可能である。
• ディラック、マヨラナ、複素スカラー、実スカラーなど複数のダークマター種別を、統一されたフレームワークによるウィルスン係数変換により扱える。
• ユーザーは、SetCoeffMstar関数を用いて、Goodmanら（2011）のベースでパラメータを入力でき、$ M_* $ スケールを対応するウィルスン係数にマップする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、ダークマター散乱のための相対論的EFTと非相対論的EFTの間の非摂動的マッチングを体系的かつ自動化して計算できるか？
• RQ2 1ループのQCDおよびQEDの整合性群発展が、直接検出に重要な有効結合定数に与える影響は何か？
• RQ3 手動のマッチングを経由せずに、相対論的EFTオペレーターから直接検出実験のイベントレートをどのように効率的に計算できるか？
• RQ4 異なる文献で用いられるウィルスン係数ベース間の正しい変換は何か、例えばGoodmanら（2011）と本研究の間で？
• RQ5 このツールは、フェルミオンおよびスカラー状態を含むさまざまなダークマター種別を一貫したマッチングと発展を伴って扱えるように一般化できるか？

主な発見

• DirectDMパッケージは、チェイリカル摂動論の1次にまで制限した非摂動的マッチングを用いて、相対論的EFTオペレーターを核子レベルの相互作用に自動的にマッチングすることに成功した。
• 1ループのQCDおよびQEDの整合性群発展が、重いクォークのしきい値での有限補正を含めて正確に実装されている。
• DMFormFactorとのインターフェースにより、入力されたウィルスン係数から直接検出実験のイベントレートを直接計算可能である。
• ディラック、マヨラナ、複素スカラー、実スカラーなど複数のダークマター種別を、一貫したベース変換メカニズムを介してサポートしている。
• Goodmanら（2011）のベースで$ M_* $ スケールを用いた標準化されたインターフェースを提供しており、既存のモデル構築フレームワークとの互換性を確保している。
• コードは https://directdm.github.io で公開されており、ダークマター効果論の分野での広範な利用が可能である。