[論文レビュー] Hidden Fermion in Stueckelberg Z' Models as Milli-charged Dark Matter

Kingman Cheung, Tzu-Chiang Yuan|ArXiv.org|Oct 10, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、WMAPデータと整合する余剰密度を持つ、ミリ電荷を帯びたダークマター候補としての隠れたディラックフェルミオンを、シュテュクエルベルク $Z'$ モデルにおいて提案している。$Z'$ ボソンはフェルミオン対への崩壊によって大きな非可視幅を獲得し、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるモノジェット＋欠落エネルギー信号や、線形衝突型加速器（ILC）における単一光子＋欠落エネルギー信号を検出可能にする。一方、フェルミオン対の対消滅は、銀河中心付近で単色のガンマ線線を生成し、次世代のガンマ線実験で観測可能である可能性がある。

ABSTRACT

The hidden Stueckelberg Z' model is augmented by a pair of Dirac fermions. If the Z' has a coupling strength comparable to weak scale coupling, one can show that this hidden fermion-antifermion pair could be a milli-charged dark matter candidate with a viable relic density. Monochromatic photon flux coming from the Galactic center due to pair annihilation of these milli-charged particles is calculated and is shown to be within reach of the next generation gamma-ray experiments. Characteristic collider signature of this theoretical endeavor is that the Stueckelberg Z' boson has a large invisible width decaying into the hidden fermion-antifermion pair if kinematically allowed. Singly production of this Z' boson at the LHC and ILC are studied.

研究の動機と目的

• シュテュクエルベルク $Z'$ モデルにおける隠れたディラックフェルミオン－反フェルミオン対の素粒子物理学的性質を調査すること。
• 隠れたフェルミオンが WMAP 観測と整合する余剰密度を持つミリ電荷を帯びたダークマター候補として宇宙論的に妥当であるかを検討すること。
• 隠れたフェルミオン対への $Z'$ ボソンの崩壊に起因する加速器におけるシグネチャを調査し、特に大きな非可視幅およびモノジェット／モノ光子信号の特徴を明らかにすること。
• 次世代のガンマ線実験が銀河中心における $\bar{\nu}\nu$ 対消滅から生じる単色ガンマ線線をどの程度検出可能かを評価すること。
• 既存の電弱高精度測定データおよび加速器制約とこのモデルがどの程度整合するかを検証すること。

提案手法

• ディラックフェルミオンのペアをシュテュクエルベルク $Z'$ モデルに追加し、非ゼロの隠れたカレント $\mathcal{J}_X^\mu = \bar{\chi}\gamma^\mu Q_X^\chi \chi$ を導入する。
• 中性ゲージボソンの質量行列を対角化して混合角を導出し、隠れたフェルミオンが光子、$Z$、$Z'$ ボソンと有効カップリングする係数を計算する。
• $Z'$ の非可視幅を $Z' \to \chi\bar{\chi}$ により計算し、運動的に許容される場合にGeVスケールの大きさを示す。これは $\mathcal{J}_X = 0$ のモデルにおける典型的なMeVスケールの幅とは対照的である。
• 熱的凍結アウトによる隠れたフェルミオンの余剰密度を計算し、$g_X Q_X^\chi \sim g_2$ のとき、WMAP制約と整合することを示す。
• 銀河中心における $\chi\bar{\chi} \to Z'\gamma$ および $\gamma\gamma$ プロセスからの単色光子フラックスを計算し、ダークマターハロー分布からの $J$-要因を用いる。
• 加速器シグネチャをシミュレーションする：LHC における $pp \to Z' + \text{jet} \to \chi\bar{\chi} + \text{jet}$ および ILC における $e^+e^- \to Z'\gamma \to \chi\bar{\chi} + \gamma$ を、ジェットおよび光子エネルギーに対する現実的なカットを適用して解析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シュテュクエルベルク $Z'$ モデルにおける隠れたディラックフェルミオンは、WMAPデータと整合する余剰密度を持つ、実現可能なミリ電荷を帯びたダークマター候補として成立するか？
• RQ2 隠れたフェルミオン対への $Z'$ ボソンの崩壊に起因する加速器シグネチャは、特に大きな非可視幅およびモノジェット／モノ光子信号としてどのような特徴を示すか？
• RQ3 将来のガンマ線実験が、銀河中心における $\chi\bar{\chi}$ 対消滅から生じる単色ガンマ線線をどの程度検出可能か？
• RQ4 非ゼロの隠れたカレントの導入が $Z'$ の幅およびLEPおよびテバトロンデータからの素粒子的制約に与える影響は何か？
• RQ5 $Z'$ が $\chi\bar{\chi}$ への主要な非可視崩壊モードを持つ場合、LHCおよびILCにおける探索にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 光子との混合により、隠れたフェルミオンは $\epsilon^\chi_\gamma / e \sim 10^{-3}$ のミリ電荷を獲得し、実現可能なミリ電荷を帯びたダークマター候補となる。
• $Z'$ ボソンは、$Z' \to \chi\bar{\chi}$ が運動的に許容される場合、GeVスケールの大きな非可視幅を示し、通常の狭い $Z'$ モデルと比較して加速器での検出可能性が著しく向上する。
• $g_X Q_X^\chi \sim g_2$ のとき、隠れたフェルミオンの余剰密度は WMAP 観測と整合し、妥当な熱的ダークマター候補であることが示された。
• $\chi\bar{\chi} \to Z'\gamma$ からの単色光子フラックスは、$m_\chi < 300\ \text{GeV}$ の範囲で $1.9 \times (\text{TeV}/m_\chi)^2 \times (10^{-14} - 10^{-13})\ \text{cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ に達し、GLAST や HESS2 の感度範囲内に位置する。
• LHC におけるシグネチャ $pp \to Z' + \text{ジェット} \to \chi\bar{\chi} + \text{ジェット}$ は、$m_{Z'} \sim 300\ \text{GeV}$ および $m_\chi \sim 60\ \text{GeV}$ のとき、モノジェット＋欠落エネルギーのシグネチャとして、発見閾値を超える断面積を持つ。
• ILC におけるシグネチャ $e^+e^- \to Z'\gamma \to \chi\bar{\chi} + \gamma$ は、$m_{Z'} \sim 300\ \text{GeV}$ および $\sqrt{s} = 1.5\ \text{TeV}$ のとき、$E_\gamma > 10\ \text{GeV}$ かつ $\cos\theta_\gamma \in (-1,1)$ の条件下で検出可能な断面積を持つ。これは本モデルの検証に有望なプローブである。