[論文レビュー] Hidden Sector Dirac Dark Matter, Stueckelberg Z' Model and the CDMS and XENON Experiments

Kingman Cheung, Kuo-Hsing Tsao+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、スチューベルク $Z'$ モデルにおけるディラックフェルミオン暗黒物質を検討し、木図式の $Z$-$Z'$ 混成と1ループのヒッグスポータル結合を通じたスピン非依存散乱を分析している。両方の寄与とも、現在の CDMS II および XENON100 の限界よりもはるかに小さい散乱断面積をもたらすことが判明し、直接検出による強い制約はないことが示唆される。特に、大気中でエネルギーを失うミリ電荷を有する暗黒物質において顕著である。

ABSTRACT

For the milli-charged Dirac dark matter in the Stueckelberg Z' model, we discuss the contributions from the vector couplings of the dark matter with the neutral gauge bosons to the spin-independent scattering cross section in the direct detections. We also compute the effective coupling between the fermionic dark matter particle and the standard model Higgs boson generated through a triangular loop of Z and/or Z' bosons which may contribute to the spin-independent scattering cross section at the quantum level. We show that the latter contribution is consistent with the most recent experimental limits from CDMS II and XENON100. In the case that the dark matter particle carries a milli-charge of order O(10^{-3}e), we found that it would lose all its kinetic energy by colliding with nucleons in the atmosphere before reaching the detector. Even though we use the Stueckelberg Z' model for illustration, the results we obtain are rather general and applicable to other Z-Z' portal-type hidden-sector models as well.

研究の動機と目的

• 直接検出による制約を通じて、スチューベルク $Z'$ モデルにおける隠れたセクターのディラックフェルミオン暗黒物質の実現可能性を評価すること。
• $Z$-$Z'$ 混成から生じるベクトルカップリングが、核子とのスピン非依存散乱をどのように生成するかを評価すること。
• 1ループで誘導されるヒッグス-暗黒物質カップリング $g_{h\chi\chi}$ を計算し、直接検出断面積への寄与を評価すること。
• 現在の CDMS II および XENON100 の実験的限界が、モデルパラメータをどれほど制約するかを特定すること。
• $O(10^{-3}e)$ の電荷を有するミリ電荷を有する暗黒物質が大気中を通過する際の影響と検出可能性に与える影響を検討すること。

提案手法

• 木図式の $Z$-$Z'$ 混成を通じてクォークとの暗黒物質相互作用の有効ラグランジアンを導出し、スカラーおよびベクトルカップリング $\alpha_q^S$ と $\alpha_q^V$ でパrameter化する。
• 三角ループを介した $Z$ および $Z'$ ボソンの1ループ寄与を用いて、ヒッグス-暗黒物質カップリング $g_{h\chi\chi}$ を形式因子 $F(q^2)$ を用いて計算する。
• 有効カップリングと核子行列要素を組み合わせることで、スピン非依存散乱断面積 $\sigma^{\rm SI}_{\chi N}$ を評価する。
• パラメータ $m_{Z'}$、$\tan\phi = M_2/M_1$、およびゲージカップリングを用いた、スチューベルク $Z'$ モデルにおける $Z$-$Z'$ 混成機構を適用する。
• 理論的予測を、CDMS II（$\sigma^{\rm SI}_{\chi N} \leq 3.8 \times 10^{-44}\ \text{cm}^2$）および XENON100（$\leq 3.4 \times 10^{-44}\ \text{cm}^2$）からの実験的上限と比較する。
• ミリ電荷を有する暗黒物質が $O(10^{-3}e)$ の電荷を有する場合、大気中で全運動エネルギーを失うという運動論的制約を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スチューベルク $Z'$ モデルにおける $Z$-$Z'$ 混成は、スピン非依存散乱断面積にどの程度寄与するか？
• RQ2 1ループで誘導されるヒッグス-暗黒物質カップリング $g_{h\chi\chi}$ は、測定可能なスピン非依存散乱信号を生成できるか？
• RQ3 現在の CDMS II および XENON100 の限界は、$Z$-$Z'$ 混成モデルのパラメータをどの程度制約するか？
• RQ4 $O(10^{-3}e)$ の電荷を有するミリ電荷を有する暗黒物質が大気中を通過する際の影響と検出可能性に与える影響は何か？
• RQ5 モデルの予測は、不可視ヒッグス崩壊幅および他の精度観測量と整合するか？

主な発見

• $m_\chi \approx 100\ \text{GeV}$ の場合、$Z$-$Z'$ 混成によるスピン非依存散乱断面積は $3.8 \times 10^{-44}\ \text{cm}^2$ 未満に保たれ、CDMS II の限界と整合する。
• 1ループで誘導されるヒッグス-暗黒物質カップリング $g_{h\chi\chi}$ は、CDMS II および XENON100 の両方の実験的上限と整合するスピン非依存断面積をもたらす。
• $O(10^{-3}e)$ の電荷を有するミリ電荷を有する暗黒物質では、モデルが大気中での全エネルギー損失を予測し、直接検出実験が無効であると示唆される。
• 不可視ヒッグス崩壊幅 $\Gamma(h \to \bar\chi\chi)$ は無視できるほど小さく、ヒッグスボソンの素粒子物理学的性質に顕著な影響を与えない。
• 現在の実験的限界は、スチューベルク $Z'$ モデルにおけるベクトルカップリングを強く制約しないが、一般的な $Z$-$Z'$ 混成モデルではより厳しい制約となる可能性がある。
• 将来的な XENON100 に類似した実験で感度が1〜2桁向上すれば、モデルのパラメータ空間をより効果的に探査できるようになる。