[論文レビュー] Flavoured Majorana Dark Matter then and now : From freeze-out scenarios to LHC signatures

Harun Acaroğlu, Monika Blanke+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 64被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、色荷を持つスカラー媒介粒子と右巻きの上クォークへのヤコビ付きを有するフレーバー付きマヨラナ暗黒物質モデルを調査し、宇宙論的裏付けのある冷やし込み機構——特に変換駆動型冷やし込み——を検討する。D0–D̄0混合、直接的・間接的DM探索、LHCのシグネチャを含む制約を統合する。質量差が小さく、結合定数が弱いパラメータ領域を同定し、特に単一トップ＋ジェットに伴う運動量欠損の電荷非対称性を含む、新たなLHC探索戦略を提案する。

ABSTRACT

We study a simplified Dark Matter model in the Dark Minimal Flavour Violation framework. Our model complements the Standard Model with a flavoured Dark Matter Majorana triplet and a coloured scalar mediator that share a Yukawa coupling with the right-handed up-type quarks with the coupling matrix $λ$. We extend previous work on this topic by exploring a large range of cosmologically viable parameter space, including the coannihilation region and, in particular, the region of conversion-driven freeze-out, while considering constraints from $D^0-\bar D^0$ mixing as well as constraints from direct and indirect Dark Matter searches. We find various realisations of conversion-driven freeze-out within the model, that open up allowed windows of parameter space towards small mass splittings and very weak Dark Matter couplings. Finally, we probe the model by reinterpreting current LHC searches for missing energy and long-lived particles. We point out gaps in the coverage of current constraints as well as new opportunities to search for the model at the LHC, in particular, the charge asymmetry in single-top production associated with jets and missing energy.

研究の動機と目的

• フレーバー付きマヨラナDMモデルに色荷を持つスカラー媒介粒子を導入した場合の、宇宙論的に妥当な暗黒物質パラメータ空間の探索。
• 小さな質量差と弱い結合定数を有するモデルにおける変換駆動型冷やし込みの妥当性の検討。
• D0–D̄0混合、直接的および間接的DM検出、LHC探索を用いたモデルの制約。
• 特に運動量欠損を伴う単一トップ生成における電荷非対称性を含む、新たなLHCシグネチャの同定。
• このモデル枠組みにおいて、現在のLHC探索（運動量欠損および長寿命粒子）を再解釈すること。

提案手法

• 標準模型（SM）にマヨラナトリプレットDMと色荷を持つスカラー媒介粒子を追加した、簡略化された暗黒物質モデルを、暗黒最小フレーバー不変性（DMFV）フレームワーク内で定式化する。
• DM数密度の時間発展を記述するボルツマン方程式を導出し、消滅、共凝縮、変換過程を含む。
• 標準的冷やし込みおよび変換駆動型冷やし込み領域を含む広範なパラメータ空間における現象的スキャンを実施する。
• QCDおよび有効場理論的手法を用いて、DM消滅、変換、崩壊の断面積を計算し、グルーオン伝播関数の熱的質量正則化を含む。
• 既存のLHC探索（運動量欠損および長寿命粒子）を再解釈し、同符号二つのトップクォーク＋/E_Tおよび単一トップの電荷非対称性に焦点を当てる。
• ボルツマン方程式の数値的解法を用いて、DMおよび媒介粒子の豊度の時間発展を追跡し、冷やし込みダイナミクスを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレーバー付きマヨラナDMモデルに色荷を持つスカラー媒介粒子を導入した場合、変換駆動型冷やし込みが実現可能であり、そのような状況が成立するパラメータ領域はどこか？
• RQ2 D0–D̄0混合、直接的および間接的DM検出、LHC探索からの制約が、妥当なパラメータ空間にどのように影響を与えるか？
• RQ3 このモデルの特徴的なLHCシグネチャは何か、特に運動量欠損を伴う単一トップ生成の文脈で。
• RQ4 運動量欠損を伴う単一トップ＋ジェット＋/E_Tにおける電荷非対称性が、なぜこのモデルの特異的プローブとして有効であるか？
• RQ5 小さな質量差と弱い結合定数が、宇宙論的および加速器実験の制約下でのモデルの妥当性に与える影響は何か？

主な発見

• 変換駆動型冷やし込みがモデル内で実現可能であり、非常に弱いDM結合定数および小さな質量差（最小で∆m ≈ 0.38%）でも、妥当なDM残存密度を達成可能である。
• 共凝縮および変換駆動型冷やし込み領域において、特に小さな質量差と弱いヤコビ結合定数を有する場合に、新たなパラメータ領域が開かれる。
• D0–D̄0混合からの制約は顕著であり、特に結合定数が大きい場合にパラメータ空間の広い領域を除外する。
• 現在のLHC探索（運動量欠損および長寿命粒子）は、モデルのパラメータ空間を完全にカバーしておらず、感度のギャップが残っている。
• 運動量欠損を伴う単一トップ生成における電荷非対称性は、強力でモデル特有のシグネチャとして顕著な発見可能性を示す。
• 効率的なDM状態間の相互変換が生じるため、DM状態の冷やし込みダイナミクスが長期間にわたり継続され、単一DM状態を持つモデルと類似した振る舞いを示す。