[論文レビュー] Exponentially Light Dark Matter from Coannihilation

Raffaele Tito D’Agnolo, Cristina Mondino+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、DM自体が主要な崩壊過程に参加しない「ステアノンコアナヒレーション」領域を活用することで、非 degenerate なDM状態間のコアナヒレーションが、keVスケールまで指数的に軽いDMを自然に生成できることを提案している。主な結果として、リリック密度がDM結合定数に依存しなくなるため、厳密なCMB制約下でも将来の実験的探査に適した広いパラメータ空間を実現できる。

ABSTRACT

Dark matter may be a thermal relic whose abundance is set by mutual annihilations among multiple species. Traditionally, this coannihilation scenario has been applied to weak scale dark matter that is highly degenerate with other states. We show that coannihilation among states with split masses points to dark matter that is exponentially lighter than the weak scale, down to the keV scale. We highlight the regime where dark matter does not participate in the annihilations that dilute its number density. In this "sterile coannihilation" limit, the dark matter relic density is independent of its couplings, implying a broad parameter space of thermal relic targets for future experiments. Light dark matter from coannihilation evades stringent bounds from the cosmic microwave background, but will be tested by future direct detection, fixed target, and long-lived particle experiments.

研究の動機と目的

• 弱いスケール未満の軽いDMを生成するメカニズムとして、非デジェネレートなコアナヒレーションを探索すること。
• DMが主要な崩壊過程に参加しない「ステアノンコアナヒレーション」限界を特定すること。
• リリック密度がDM結合定数に依存しなくなり、実験的探査に適した広いパラメータ空間が得られることを示すこと。
• コアナヒレーションから生じる軽いDMが、再結合の前に脱結合することで、宇宙マイクロ波背景（CMB）制約を回避できることを示すこと。
• 直接検出、固定標的に基づく実験、および長寿命粒子実験における実験的シグナルを同定すること。

提案手法

• 最軽い安定状態（DM）とそれより重いコアナヒレーティング状態を有する多状態のダークセクターをモデル化し、質量順に並べる。
• ボルツマン方程式を用いてリリック密度を計算し、重い状態間のすべての可能な2→2崩壊チャンネルの寄与を合算する。
• 主要な崩壊がDMを含まない重い状態同士の過程に限定される「ステアノンコアナヒレーション」領域を同定する。
• 効果的崩壊率式（式4）を用いて、DMの位相空間による指数的抑制を克服するには、重い状態間の崩壊断面積が弱いスケールの値よりも指数的に大きくなければならないことを示す。
• 3つのモデル実装を分析する：(1) ダーク放射を伴う分離したダークセクター、(2) 混在ダークヒッグスを伴うヒッグスポータル、(3) ダークフォトンポータルを介した直接SM崩壊。
• ビッグバン核合成（BBN）およびCMBによる有効な相対的自由度の数（N_eff）の制約を計算し、DM質量の下限を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非デジェネレート状態間のコアナヒレーションは、弱いスケールよりも顕著に軽いDMを生成できるか？
• RQ2 DMが主要な崩壊過程に参加しない「ステアノンコアナヒレーション」限界の役割は何か？
• RQ3 ステアノンコアナヒレーション領域において、リリック密度はDM結合定数にどのように依存するか？
• RQ4 CMBおよびBBNを含む宇宙論的・天体物理学的制約は、コアナヒレーションから生じる軽いDMに対してどのような影響を与えるか？
• RQ5 直接検出、固定標的に基づく実験、および長寿命粒子探索において、このような軽いDMの検出可能な実験的シグナルは何か？

主な発見

• 非デジェネレート状態間のコアナヒレーションにより、DMはkeVスケールまで軽く生成可能であり、標準的なWIMP制約を回避できる。
• ステアノンコアナヒレーション限界では、リリック密度はDM質量にのみ依存し、結合定数には依存しないため、熱的ターゲットとして広いパラメータ空間が得られる。
• DM位相空間の指数的抑制は、重い状態間の崩壊断面積が弱いスケールの値よりも指数的に大きくならなければならないことで克服され、ダークセクターの質量スケールが弱いスケールよりも指数的に軽くなることを示唆する。
• CMB制約は、重い状態が再結合の前にDMに崩壊することで回避され、リリック密度を決定する崩壊過程が終了する。
• ヒッグスポータルモデルでは、BBNおよびCMBによるN_effの制約により、DM質量の下限が3桁上昇し（約100 keVに）、上昇する。
• 将来の実験、特に直接検出、固定標的に基づくビームダンプ（例：E137）、および長寿命粒子探索は、重いダーク状態の検出に強く有望である。