[論文レビュー] Impact of Mass Generation for Simplified Dark Matter Models

Nicole F. Bell, Yi-Fu Cai+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、簡略化されたダークマター模型における質量生成メカニズムが、許容される相互作用タイプを決定づけることを示している。ゲージ不変性により、スピン-1媒介粒子へのベクトルおよび軸性ベクトルカップリングは制限を受ける。すべてのダークセクター場が1つのダークヒッグスによって質量を得る場合、非ゼロの軸性ベクトルカップリングが必須となる。そうでない場合、純粋なベクトルカップリングのみが許容され、これらの制限に背くとユニタリティの破綻が生じる。二つの媒介粒子を含むこの状況では、単一の媒介粒子モデルでは捉えきれない、明確に異なるリリック密度および間接検出の素性が得られる。

ABSTRACT

In the simplified dark matter models commonly studied, the mass generation mechanism for the dark fields is not typically specified. We demonstrate that the dark matter interaction types, and hence the annihilation processes relevant for relic density and indirect detection, are strongly dictated by the mass generation mechanism chosen for the dark sector particles, and the requirement of gauge invariance. We focus on the class of models in which fermionic dark matter couples to a spin-1 vector or axial-vector mediator. However, in order to generate dark sector mass terms, it is necessary in most cases to introduce a dark Higgs field and thus a spin-0 scalar mediator will also be present. In the case that all the dark sector fields gain masses via coupling to a single dark sector Higgs field, it is mandatory that the axial-vector coupling of the spin-1 mediator to the dark matter is non-zero; the vector coupling may also be present depending on the charge assignments. For all other mass generation options, only pure vector couplings between the spin-1 mediator and the dark matter are allowed. If these coupling restrictions are not obeyed, unphysical results may be obtained such as a violation of unitarity at high energies. These two-mediator scenarios lead to important phenomenology that does not arise in single mediator models. We survey two-mediator dark matter models which contain both vector and scalar mediators, and explore their relic density and indirect detection phenomenology.

研究の動機と目的

• 簡略化されたダークマター模型におけるダークセクター内での異なる質量生成メカニズムが、許容される相互作用タイプに与える影響を調査すること。
• ゲージ不変性およびユニタリティから生じる、スピン-1媒介粒子へのベクトルおよび軸性ベクトルカップリングの制約を特定すること。
• 質量生成メカニズムの影響を無視した場合、単一の媒介粒子を仮定する簡略化モデルが物理的に整合しない可能性があることを示すこと。
• スピン-1およびスピン-0の両方の媒介粒子を含む二媒介粒子モデルの素性、特にリリック密度および間接検出における影響を調査すること。
• 1つのダークヒッグス場による質量生成を仮定するモデルでは、非ゼロの軸性ベクトルカップリングが必須であることを示すこと。一方、他のメカニズムでは純粋なベクトルカップリングに制限されること。

提案手法

• スタッケルベルク、バーマス、ダークヒッグスの3つの異なるダークセクター質量生成メカニズムの意味を分析する。
• ゲージ不変性およびユニタリティ制約を適用し、フェルミオン的ダークマターとスピン-1媒介粒子間のベクトルおよび軸性ベクトルカップリングの選択則を導出する。
• 共通のダークヒッグス場から生じるスピン-1（ベクトルまたは軸性ベクトル）およびスピン-0（スカラー）の両方の媒介粒子を含む二媒介粒子モデルを構築する。
• χχ → Z′Z′ および χχ → sZ′ などの過程における正確な s 波散乱断面積を、ゲージおよびヤコビアンカップリングの完全な依存性を含めて導出する。
• ゲージカップリングとヤコビアンカップリングの関係（gχ ∝ yχ）を用いて、ヒッグス機構およびユニタリティと整合するようにする。
• 状況間の素性を比較する：(I) バーマス + 純粋なベクトル、(II) 両方のカップリングを有するダークヒッグス、(III) ベクトルのみのダークヒッグス、(IV) 軸性ベクトルのみのダークヒッグス。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークセクター内の質量生成メカニズムの選択が、ダークマターとその媒介粒子間の許容される相互作用タイプにどのように影響を与えるか？
• RQ2 質量のあるスピン-1媒介粒子を含むモデルにおいて、ベクトルおよび軸性ベクトルカップリングに課されるゲージ不変性およびユニタリティ制約は何か？
• RQ3 なぜ質量生成メカニズムを無視した単一の媒介粒子を仮定する簡略化モデルでは、現実的な素性を捉えきれないのか？
• RQ4 スピン-1およびスピン-0の両方の媒介粒子を含む二媒介粒子モデルでは、どのような新しい間接検出およびリリック密度の信号が生じるか？
• RQ5 ダークヒッグス機構と整合するためには、スピン-1媒介粒子への非ゼロの軸性ベクトルカップリングがどのような条件下で必須となるのか？

主な発見

• すべてのダークセクター場が1つのダークヒッグスによって質量を得る場合、ゲージ不変性を満たすために、スピン-1媒介粒子とダークマター間の非ゼロの軸性ベクトルカップリングが必須となる。
• その他のすべての質量生成シナリオ（例：スタッケルベルクやバーマス）では、スピン-1媒介粒子とダークマター間の純粋なベクトルカップリングのみが許容される。
• これらのカップリング制限に背くと、高エネルギー域でユニタリティが破綻し、モデルが物理的に不整合となる。
• ベクトルおよびスカラーの両方の媒介粒子が存在することで、χχ → Z′Z′ や χχ → sZ′ といった新しい s 波散乱チャネルが可能となり、単一の媒介粒子モデルには存在しない。
• χχ → Z′Z′ の s 波断面積は、片方のカップリング（Q_A または Q_V）のみが非ゼロの場合、1/mχ² に比例するが、両方が非ゼロの場合、縦方向の Z′ 構成による寄与により 1/mZ′² に比例するようになる。
• χχ → sZ′ の完全な断面積は、Q_A、Q_V、Q_S に非自明に依存しており、すべてのシナリオについて付録で明示的な解析的表現が導出されている。