[論文レビュー] Multipartite Dark Matter

Qing-Hong Cao, Ernest Ma+2 more|ArXiv.org|Nov 25, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 38

ひとこと要約

本稿は、フェルミオンシングレット（χ）とスカラーシングレット（S）からなる一般化された二成分暗黒物質（2DM）モデルを提案し、$Χ_2 \times \u03a7_2'$対称性によって安定化される。追加の散乱チャネル $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ により、MSSMに対するきびしいリリック密度制約が著しく緩和され、特に質量差が大きい場合、ガンマ線スペクトルを用いた間接検出によって2DMと1DMのシナリオを区別可能である。

ABSTRACT

Dark matter (comprising a quarter of the Universe) is usually assumed to be due to one and only one weakly interacting particle which is neutral and absolutely stable. We consider the possibility that there are several coexisting dark-matter particles, and explore in some detail the generic case where there are two. We discuss how the second dark-matter particle may relax the severe constraints on the parameter space of the Minimal Supersymmetric Standard Model, as well as other verifiable predictions in both direct and indirect search experiments.

研究の動機と目的

• 標準的な単一の暗黒物質（1DM）仮定を超えた複数の暗黒物質候補の妥当性を調査すること。
• 特にニュートラルインの過剰生成という深刻な宇宙論的・実験的制約を受けるMSSMパラメータ空間の問題に対処すること。
• 第二の暗黒物質粒子がリリック密度、直接検出、間接検出信号に与える影響を調査すること。
• 特にガンマ線スペクトルにおいて、二成分暗黒物質と従来の1DMモデルを区別できる観測可能なシグネチャを特定すること。

提案手法

• フェルミオンシングレット χ とスカラーシングレット S を含む最小の2DMモデルを導入し、それぞれが異なる $\mathbb{Z}_2$ 対称性に対して奇数であるため、安定性が保証される。
• 低エネルギー有効ラグランジアンを用いて有効相互作用を導出し、$\mathcal{L}_{int} = \frac{1}{2}\lambda_2 H^\dagger H \mathcal{S}\mathcal{S} + \frac{\lambda_3}{\Lambda} H^\dagger H \bar{\chi}\chi + \frac{\lambda_4}{2\Lambda} \bar{\chi}\chi \mathcal{S}\mathcal{S}$ を含む。次に、次元なしの結合定数 $g_\chi, g_\mathcal{S}, g_{\chi\mathcal{S}}$ を用いる。
• 三つの散乱シナリオを分析する：(A) 両粒子が標準模型ヒッグスを介して散乱する；(B) S のみが散乱する；(C) $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ が支配的である。
• NFW銀河ハロー分布とブースト要因を用いて、銀河中心からのガンマ線フラックスを計算し、2DMと1DMの予測を比較する。
• CDMSデータを用いて直接検出の制約を評価し、現在のデータに対して $\sigma_0/m_i \simeq 2 \times 10^{-9}$ pb/GeV の境界を導出する。
• リリック密度の計算を行い、$\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ チャネルがMSSMにおける過剰生成を軽減することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第二の暗黒物質候補が、特に最軽いニュートラルインのリリック密度制約を緩和できるか。
• RQ2 2DMモデルにおける直接検出の制約は1DMケースと比較してどう異なるか。また、散乱断面積に顕著な観測可能な差異はあるか。
• RQ3 ガンマ線スペクトルを用いた間接検出によって、二成分暗黒物質シナリオと標準的な1DMモデルを区別できるか。
• RQ4 $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ 散乱チャネルがリリック密度をどのように変化させ、MSSMの制約を緩和するか。
• RQ5 大型ハドロン衝突型加速器（LHC）は、二つの暗黒物質粒子の生成率に基づいて、異なる2DMシナリオを区別できるか。

主な発見

• $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ 散乱チャネルは、フェルミオン的暗黒物質候補のリリック密度を著しく低減する新たな崩壊経路を提供し、MSSMパラメータ空間の制約を緩和する。
• $\epsilon_\chi = \epsilon_\mathcal{S} = 0.5 $ の場合、2DMモデルは ($m_\mathcal{S}, m_\chi$) 平面上で、特に新しい散乱チャネルが活性化されている場合、WMAPデータと整合する広大なパラメータ領域を許容する。
• 2DMモデルにおける銀河中心からの予測ガンマ線スペクトルは、二つの異なる暗黒物質分布の重ね合わせにより、明確なライン形状を示し、1DMケースとは顕著に異なり、GLASTによって検出可能である可能性がある。
• $m_\chi - m_\mathcal{S} $ が大きい場合、ガンマ線スペクトルは1DMケースと顕著な形状差を示し、主要な観測的シグネチャとなる。
• シナリオAでは、$\chi$ と $\mathcal{S}$ 両方がLHCで生成されるが、シナリオBでは $\mathcal{S}$ のみが生成されるため、LHCデータにより二つのシナリオを区別可能である。
• 直接検出断面積はCDMSデータにより制限され、現在のデータに対して $\sigma_0/m_i \simeq 2 \times 10^{-9}$ pb/GeV である。シナリオBでは $\mathcal{S}$ のみが寄与するため、この制限は弱くなる。