[論文レビュー] Isospin violating dark matter in Stückelberg portal scenarios

Víctor Martín Lozano, Miguel Peiró+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 41被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、弦理論の compactification に由来する Stückelberg ポータル・スケーラーにおける、質量のある $Z'$ ボソンによって媒介されるアイソスピン破れのダークマター（DM）相互作用を調査する。本研究では、このようなモデルが自然に、DM が陽子と中性子に対して異なるカップリングを示すこと——$f_n/f_p \neq \pm1$ および $a_n/a_p \neq \pm1$——をもたらすことを示し、直接検出実験および LHC の共鳴探索によって検証可能であることを示している。特に、中性子主導のスピン不変信号が顕著に現れる。

ABSTRACT

Hidden sector scenarios in which dark matter (DM) interacts with the Standard Model matter fields through the exchange of massive Z' bosons are well motivated by certain string theory constructions. In this work, we thoroughly study the phenomenological aspects of such scenarios and find that they present a clear and testable consequence for direct DM searches. We show that such string motivated Stückelberg portals naturally lead to isospin violating interactions of DM particles with nuclei. We find that the relations between the DM coupling to neutrons and protons for both, spin-independent (fn/fp) and spin-dependent (an/ap) interactions, are very flexible depending on the charges of the quarks under the extra U(1) gauge groups. We show that within this construction these ratios are generically different from plus and minus 1 (i.e. different couplings to protons and neutrons) leading to a potentially measurable distinction from other popular portals. Finally, we incorporate bounds from searches for dijet and dilepton resonances at the LHC as well as LUX bounds on the elastic scattering of DM off nucleons to determine the experimentally allowed values of fn/fp and an/ap.

研究の動機と目的

• アイソスピン破れのダークマター相互作用が、 Stückelberg $Z'$ ボソンを介する $U(1)$ 拓張モデルに与える物性的結果を調査すること。
• クォークが追加の $U(1)$ ゲージ群に対して持つ電荷が、スピン不変およびスピン従属の DM-核子相互作用における $f_n/f_p$ および $a_n/a_p$ の比に与える影響を特定すること。
• LHC のジジェットおよびジレプトン共鳴探索と LUX 直接検出限界を用いて、パラメータ空間を制約すること。
• 標準的なポータルと比較して、これらのモデルにおける中性子主導の DM 散乱信号の妥当性を評価すること。

提案手法

• 複数の異常な $U(1)$ ゲージ群を有する隠れたセクター・モデルを構築し、$Z'$ ボソンが Stückelberg メカニズムによって生成され、標準模型（SM）および隠れたセクターのゲージボソンと混合する仕組みを導入する。
• タイプ IIA シュレーディンガー理論における D6-ブレーンの交差コンパクト化から生じるマドリード・モデル・フレームワークを、質量ゼロのハイパーチャージと質量を持つ $Z'$ 状態を有する $U(1)$ 拡張の具体的実装として用いる。
• 最軽い $Z'$ 質量固有状態が SM フェルミオン（クォークおよびレプトン）と有する有効カップリングを、混合パラメータ $(a,b,c,d)$ および追加の $U(1)$ におけるクォーク電荷でパラメータ化する。
• スピン不変（SI）およびスピン従属（SD）の DM-核子散乱断面積を計算し、陽子および中性子の寄与を含む。$f_n/f_p$ および $a_n/a_p$ を主観測量として用いる。
• LHC のジジェットおよびジレプトン共鳴探索による制約と、LUX 直接検出限界を用い、信号除外のための最大ギャップ法を適用する。
• パラメータ空間における6つのベンチマーク点（BM点）を分析し、統合された実験的制約下での $f_n/f_p$ および $a_n/a_p$ の許容領域をマッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Stückelberg $Z'$ ポータル・モデルは、$f_n/f_p \neq \pm1$ および $a_n/a_p \neq \pm1$ であるアイソスピン破れの DM 相互作用を自然に生成できるか？
• RQ2 追加の $U(1)$ ゲージ群におけるクォーク電荷が、DM が陽子と中性子に対して持つカップリング強度の相対的強さにどのように影響を与えるか？
• RQ3 LHC のジジェットおよびジレプトン共鳴探索と LUX 直接検出限界を組み合わせた後、$f_n/f_p$ および $a_n/a_p$ の実験的に許容される値は何か？
• RQ4 これらのモデルにおいて、陽子媒介の散乱と比較して、中性子媒介の DM 散乱過程がどれほど支配的になるか？
• RQ5 LHC 共鳴探索と直接検出実験の相補性は、SM フェルミオンへの $Z'$ カップリングを解明するのにどの程度有効か？

主な発見

• Stückelberg $Z'$ ポータル・スケーラーでは、追加の $U(1)$ ゲージ対称性におけるクォーク電荷の違いにより、$f_n/f_p$ および $a_n/a_p$ が $\pm1$ から一般にずれるアイソスピン破れの DM 相互作用が自然に生じる。
• 許容パラメータ空間では、スピン不変の DM-核子散乱は主に中性子相互作用によって駆動され、ほとんどのベンチマーク点で $f_n/f_p \gg 1$ となる。
• スピン従属散乱では陽子寄与がやや抑制されにくく、$a_n/a_p \approx -1$ が一般的であるため、中性子成分が顕著に現れる。
• LHC のジレプトンおよびジジェット共鳴探索と LUX 直接検出限界を組み合わせることで、パラメータ空間は強く制約され、特に中性子主導の信号が最も制約を受ける。
• LUX データに最大ギャップ法を適用した結果、全6つのベンチマーク点で除外領域が確認され、シミュレーションフレームワークの整合性が裏付けられた。
• LHC と直接検出実験の相補性は、クォークおよびレプトンへの $Z'$ カップリングを調査するのに特に効果的であり、アイソスピン破れのパターンを区別可能にする。