[論文レビュー] Hidden Photons in beam dump experiments and in connection with Dark Matter

Sarah Andreas|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、KEKおよびオルセーの過去の電子ビームダンプ実験から、隠れた光子に関する新しい実験的制限を提示しており、MeV–GeV領域の質量範囲において制限を拡張している。さらに、隠れた光子とダークマターを含む隠れたセクター・モデルを検討し、ディラックフェルミオンのダークマターが直接検出信号と整合するスピン不変散乱を示す一方で、マヨラナフェルミオンは現在の実験で制限が弱いスピン依存散乱を示すことを示している。

ABSTRACT

Hidden sectors with light extra U(1) gauge bosons, so-called hidden photons, recently received much interest as natural feature of beyond standard model scenarios like string theory and SUSY and because of their possible connection to dark matter. This paper presents limits on hidden photons from past electron beam dump experiments including two new limits from experiments at KEK and Orsay. Additionally, various hidden sector models containing both a hidden photon and a dark matter candidate are discussed with respect to their viability and potential signatures in direct detection.

研究の動機と目的

• KEKおよびオルセーの過去の電子ビームダンプ実験から、隠れた光子に関する更新された実験的制限を導出すること、特にKEKおよびオルセーからの新しい制限を含む。
• 宇宙論的および天体物理学的観測の観点から、隠れた光子とダークマター候補を含む隠れたセクター・モデルの実現可能性を評価すること。
• 隠れた光子を含むモデルにおけるダークマターの直接検出の素性を調査すること、特にスピン不変およびスピン依存散乱断面積に焦点を当てる。
• 異なる対称性破壊メカニズム（フェイェト＝イリオポウロス項対比して放射的破れ）を有する超対称隠れたセクター・モデルが、観測可能なシグナルを示す実現可能なダークマター候補をどのようにもたらすかを検討すること。
• このようなモデルが、異常なミューオン磁気モーメントとCoGeNTが報告したような直接検出信号を同時に説明できるかどうかを同定すること。

提案手法

• 通常の光子との間の運動的混合を可視セクターへの主なインターフェースとし、小さな混合パラメータ χ でパrameter化する。
• モンテカルロシミュレーション（例：MadGraph）を用いて、エネルギー損失および放射角分布を考慮した電子ビームダンプにおける隠れた光子の生成をモデル化する。
• ビームエネルギー、電子質量、および形因子を含む断面積式を用いて、指数的減衰長に起因する抑制を考慮した、観測可能なイベントレートを推定する。
• 検出器の受容度および分岐比（例：e⁺e⁻、μ⁺μ⁻）を組み込んで、検出可能な信号レートを計算する。
• チャイral超スフィールドおよび隠れたU(1)ゲージ対称性を有するトロイモデルおよび超対称モデルを構築し、ヒッグス・ポータルおよびゲージ・ポータル相互作用を介したリリック密度および直接検出を分析する。
• DM質量および結合パラメータ κ のパラメータースキャンを実施し、正しいリリック密度および直接検出制限を満たす領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KEKおよびオルセーの電子ビームダンプ実験から、隠れた光子質量および運動的混合パラメータ χ の更新された実験的制限は何か？
• RQ2 隠れた光子とダークマター候補を含む隠れたセクター・モデルは、正しいリリック密度を再現でき、CoGeNTの直接検出信号を説明できるか？
• RQ3 隠れたゲージ対称性の破壊メカニズム（フェイェト＝イリオポウロス項対比して放射的破れ）の違いが、ダークマター素性および直接検出断面積にどのように影響するか？
• RQ4 スピン不変散乱とスピン依存散乱の役割は、ディラックおよびマヨラナフェルミオンのダークマター候補の実現可能性を決定づけるか？
• RQ5 重力媒介による超対称隠れたセクター・モデルは、直接検出において観測可能なシグナルを示す実現可能なダークマター候補を提供できるか、その程度はいかほどか？

主な発見

• KEKおよびオルセーのビームダンプ実験データに基づき、MeV–GeV領域の質量範囲における隠れた光子の運動的混合パラメータ χ に関する新しい制限が確立された。
• トロイモデルにおけるディラックフェルミオンのダークマター候補は、正しいリリック密度を達成し、CoGeNTの直接検出信号と整合するスピン不変散乱断面積を示した。
• 可視セクター由来の対称性破壊を有する超対称モデルにおいても、ディラックフェルミオンのDM候補はスピン不変散乱を示し、直接検出の異常を説明できる。
• マヨラナフェルミオンのDM候補は主にスピン依存散乱を示すが、特に放射的破壊された隠れたセクターでは、現在の直接検出限界と整合しており、実現可能である。
• ヒッグス・ポータル結合により、マヨラナフェルミオンのスピン不変散乱が可能になるが、断面積は現在の実験限界より数個のオーダー小さくなる。
• パラメータースキャンからの散乱図では、リリック密度および直接検出制限を満たす、DM質量–結合パラメータ空間における実現可能な領域が存在することが示された。特に重力媒介を伴うモデルで顕著である。