[論文レビュー] Global fits of simplified models for dark matter with GAMBIT I. Scalar and fermionic models with s-channel vector mediators

Christopher J. Chang, Pat Scott+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、GAMBITフレームワークを用いて、sチャネルのベクトル中間子を介してクォークと相互作用するスカラーおよびフェルミオン型のダークマター候補を対象とした、グローバルなベイジアンフィットを実施している。すべてのモデルにおいて、広範なパラメータ空間の領域が生存しており、特に、DM質量 ≈ 中間子質量の半分である共鳴領域（resonant regions）がLHCモノジェット過剰とリリック密度制約によって支持されている。これは、ディラックおよびマヨラナフェルミオン型のダークマターに対して顕著である。

ABSTRACT

Simplified models provide a useful way to study the impacts of a small number of new particles on experimental observables and the interplay of those observables, without the need to construct an underlying theory. In this study, we perform global fits of simplified dark matter models with GAMBIT using an up-to-date set of likelihoods for indirect detection, direct detection and collider searches. We investigate models in which a scalar or fermionic dark matter candidate couples to quarks via an s-channel vector mediator. Large parts of parameter space survive for each model. In the case of Dirac or Majorana fermion dark matter, excesses in LHC monojet searches and relic density limits tend to prefer the resonance region, where the dark matter has approximately half the mass of the mediator. A combination of vector and axial-vector couplings to the Dirac candidate also leads to competing constraints from direct detection and unitarity violation.

研究の動機と目的

• GAMBITソフトウェアフレームワークを用いた、簡略化されたダークマターモデルの包括的グローバルフィットを実施すること。
• sチャネルのベクトル中間子を介してクォークと結合するスカラーおよびフェルミオン型のダークマター候補が、現在の実験的制約に対してどれほど妥当であるかを評価すること。
• 直接検出、間接検出、コライダー探索、およびリリック密度測定からの制約を適用した後の生存パラメータ空間領域を同定すること。
• CTAやDARWINといった将来の実験の感度を、残存する妥当なパラメータ空間にどのように制限するかを予測すること。
• LHCモノジェット過剰がモデルの妥当性に与える影響と、ユニタリティ制約が許容可能なパラメータ空間の形状に与える影響を調査すること。

提案手法

• GAMBIT（グローバル・ニュートリノ物理学・モデル構築・ベイジアン推論ツール）フレームワークを用いて、簡略化されたダークマターモデルの完全なベイジアングローバルフィットを実施する。
• LHCラン2における直接検出（例：XENON1T、LUX）、間接検出（例：Fermi-LAT、HAWC）、およびコライダー探索（モノジェットおよびダイジェット最終状態）からの包括的な尤度関数を適用する。
• micrOMEGAsモジュールを用いてリリック密度制約を組み込み、ダークマターのリリック密度を計算し、Planck 2018の測定値と比較する。
• 各モデルの全パラメータ空間を探索するために、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）サンプリングを実施する。これには結合定数と質量が含まれる。
• 実験データにおけるシステムティックな不確実性を考慮するため、ヌイアンスパラメータ尤度関数を用いる。
• CTAおよびDARWINのシミュレーションを用いて、将来の実験の感度を予測し、近い将来の実験の到達範囲を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 sチャネルのベクトル中間子を介してクォークと結合するスカラーおよびフェルミオン型のダークマターのパラメータ空間において、現在の実験的制約を満たす領域はどこか？
• RQ2 LHCモノジェット過剰は、ディラックおよびマヨラナフェルミオン型のダークマターのモデルに対して、どの程度パラメータ空間の好みを変えるか？
• RQ3 リリック密度制約と直接検出限界は、妥当なパラメータ空間の形状にどの程度競合するか？
• RQ4 CTAやDARWINといった将来の実験は、残存する妥当なパラメータ空間領域をどの程度制限するか？
• RQ5 ユニタリティ違反は、これらの簡略化モデルにおける許容可能な結合定数の強さにどのような影響を与えるか？

主な発見

• スカラー型ダークマターでは、モデルがリリック密度を完全に説明しない限り、特に高質量のDMおよび低質量の中間子において、広範なパラメータ空間の領域が生存する。
• ディラックフェルミオン型のダークマターでは、共鳴生成（m_DM ≈ 0.5 × m_Mediator）が好まれ、DM質量が約260 GeV、中間子質量が約540 GeVの周辺で好まれる。これはLHCモノジェット過剰が主因である。
• 観測されたリリック密度をモデルが完全に満たすと仮定すると、好まれる領域はより高い質量へシフトする：m_DM ≈ 580 GeV、m_Mediator ≈ 1.3 TeV。
• LHCモノジェット過剰が背景の揺らぎであると仮定すれば、パラメータ空間が著しく開き、非共鳴領域も生存可能になる。
• マヨラナフェルミオン型のダークマターでも、モノジェット過剰を説明しつつリリック密度制約を満たしており、共鳴領域が好まれる。
• 将来の実験では、CTAはディラックフェルミオン型モデルに対して最も感度が高く、DARWINはすべてのモデルにおいて、特にスカラーおよびディラック型のダークマターの高質量中間子領域に対して、数十から百以上の信号イベントを制限すると予想される。