[論文レビュー] Production and signatures of multi-flavour dark matter scenarios with t-channel mediators

Johannes Herms, Alejandro Ibarra|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 78被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、tチャネルスカラー媒介子と右巻きレプトンにカップリングする2つのメジャナナ粒子のダークマター生成子を持つ多フラバーのダークマター状況を調査している。重いダークマター生成子が、リlic遺物密度の生成を顕著に増幅させ、直接的・間接的検出信号（特に崩壊による単色性ガンマ線を介して）を強化することを示しており、単一フラバーのモデルとは異なる検証可能なシグナチャーを提供する。

ABSTRACT

We investigate the phenomenology of a dark matter scenario containing two generations of the dark matter particle, differing only by their mass and their couplings to the other particles, akin to the quark and lepton sectors of the Standard Model. For concreteness, we consider the case where the two dark matter generations are Majorana fermions that couple to a right-handed lepton and a scalar mediator through Yukawa couplings. We identify different production regimes in the multi-flavor dark matter scenario and we argue that in some parts of the parameter space the heavier generation can play a pivotal role in generating the correct dark matter abundance. In these regions, the strength of the dark matter coupling to the Standard Model can be much larger than in the single-flavored dark matter scenario. Correspondingly the indirect and direct detection signals can be significantly boosted. We also comment on the signatures of the model from the decay of the heavier dark matter generation into the lighter.

研究の動機と目的

• 2つのメジャナナ粒子生成子を有する多フラバーのダークマターの実験的性質を調査すること。
• 重いダークマター生成子がリlic遺物密度生成に与える影響を調査すること。
• 重い状態の崩壊から生じる直接的・間接的・加速器探索における新規シグナチャーを同定すること。
• 宇宙論的および実験的制約下でのモデルの妥当性を評価すること。
• 多フラバーと単一フラバーのダークマター状況におけるシグナチャー強度を比較すること。

提案手法

• 右巻きレプトンにカップリングするZ2奇性のスカラー媒介子Σを有する2生成子メジャナナ粒子のダークマター模型を構築する。
• Σ交換を介したYukawa相互作用を用いて、ψiψj ↔l+l− および ψi l ↔ψj l の過程を媒介する。
• パラメータ空間全域におけるリlic遺物密度を計算するために、凍結・共凝集・凍結インメカニズムを適用する。
• 相対論的位相空間とループレベルの振幅を用いて、ψ2 →ψ1γおよびψ2 →ψ1e+e− の崩壊幅を導出する。
• ビッグバン核合成、CMB再電離、ガンマ線線探索（Comptel、Fermi-LAT、Integral）からの制約を評価する。
• g1-g2パラメータ空間における有効領域をマップするために、ベンチマーク質量（mΣ = 430 GeV、mΣ = 200 GeV）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重いダークマター生成子の存在が、単一フラバーのモデルと比較してリlic遺物密度生成メカニズムにどのように影響を与えるか？
• RQ2 tチャネル媒介による多フラバーのダークマター状況において、主な生成および消失チャネルは何か？
• RQ3 重いダークマター状態が軽い状態に崩壊することで、検出可能な単色性ガンマ線シグナチャーが生成可能か？
• RQ4 再電離や自由流れなどの宇宙論的制約が、モデルのパラメータ空間にどのように制限を加えるか？
• RQ5 この多フラバー構成において、直接的および間接的検出シグナチャーは、標準的な単一成分モデルと比較してどの程度強化されるか？

主な発見

• 重いダークマター生成子がリlic遺物密度生成を支配するため、単一フラバーの状況と比較して、軽い成分のカップリングを顕著に大きくできる。
• m2 ≳3 GeV（m1 = 40 eV）の条件下で、ψ2 →ψ1γ崩壊からの単色性ガンマ線シグナチャーは検出可能であり、シグナチャーのエネルギーは質量差に依存する。
• m2 ≳40 GeV（m1 = 100 MeV）およびm2 ≳90 GeV（m1 = 1 GeV）の条件下では、現在のガンマ線機器が崩壊シグナチャーを探索可能である。
• より大きなカップリングのおかげで、直接的および間接的検出シグナチャーが強化され、特に重い状態が凍結を支配する場合に顕著である。
• 将来的なミッション（e-Astrogamなど）により、MeVスケールのガンマ線線に対する感度が1〜2桁向上する可能性がある。
• CMB再電離および自由流れからの制約が、特に非常に軽いm1 < 20 eVの場合にパラメータ空間を制限する。