[論文レビュー] SIMP dark matter with gauged $Z_3$ symmetry

Soo-Min Choi, Hyun Min Lee|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、暗黒U(1)_Vゲージ群の自発的対称性の破れから生じるゲージ化されたZ_3対称性によって安定化される複素スカラー暗黒物質候補を提案する。このモデルは、軽いZ'ゲージボソンを通じて3対2の散乱と自己相互作用を実現可能にし、運動的平衡を維持することで、正しい残り滓密度を達成するとともに、摂動性およびユニタリティを満たす。モデルは、アベル3827における観測されたハロー分離をうまく説明でき、直接検出・間接検出の制約およびヒッグス信号とも整合する。

ABSTRACT

We consider a complex scalar field as SIMP dark matter in models with gauged $Z_3$ discrete symmetry appearing as a remnant of dark local $U(1)$. Dark matter (DM) annihilates dominantly by the 3-to-2 scattering, due to the DM cubic coupling in combination with the DM quartic coupling or the $Z'$ gauge and dark Higgs couplings. We show that a light $Z'$ gauge boson makes DM in kinetic equilibrium with thermal plasma at freeze-out and it affects the DM relic density and perturbativity/unitarity constraints for DM self-interactions. We show that the large DM self-interactions are consistent with solving small-scale structure problems and explaining the DM halo separation recently observed in Abell 3827 cluster. Various bounds on the model from the SIMP conditions, DM self-interactions, $Z'$ searches, DM direct/indirect detection experiments, and Higgs signals, are also discussed.

研究の動機と目的

• ゲージ化されたU(1)_VがZ_3に破れ、暗黒物質の安定性を保証する複素スカラー暗黒物質の有効なSIMPモデルを提案すること。
• 軽いZ'ゲージボソンが標準模型(SM)との暗黒物質相互作用をどのように媒介し、3対2の散乱過程を可能にするかを調査すること。
• 小スケール構造問題の解決に必要な大きな自己相互作用断面積が、このモデルにおいて摂動性およびユニタリティと整合するかを評価すること。
• 直接検出・間接検出、Z'探索、ヒッグス信号、および残り滓密度要請からの制約を用いて、モデルを制約すること。
• コライダーにおけるZ'探索と宇宙論的SIMP条件の相補的関係が、熱的暗黒物質実現にどのように寄与するかを探索すること。

提案手法

• 複素スカラー暗黒物質場χ（U(1)_V電荷+1）と、電荷+3の第二の複素スカラー場φを導入し、その真空期待値（VEV）がU(1)_VをZ_3に破れ、χの安定化を実現する。
• 暗黒光子V_μと標準模型のハイパークラフトゲージボソンB_μとの間のゲージ運動量混合を導入し、χがZ'-媒介過程を通じてSMフェルミオンと結合できるようにする。
• Z'ゲージボソンを介して3対2の自己散乱および自己散乱過程を実現し、正しい残り滓密度と大きな自己相互作用を達成する上で不可欠である。
• ラグランジアン相互作用から導かれる行列要素を用い、相対論的位相空間の公式を用いて3対2散乱、2対2散乱、自己散乱の断面積を計算する。
• 標準模型ヒッグスと暗黒ヒッグスの混合を通じてヒッグスポータルおよびZ'-ポータル相互作用を導入し、質量行列を対角化して有効結合定数を導出する。
• 直接検出（電子励起）、間接検出、Z'-ポータル探索、ヒッグス信号強度、およびバブルクラスターやアベル3827のハロー分離データからの制約を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲージ化Z_3対称性によって安定化される複素スカラー暗黒物質候補が、3対2散乱過程を通じて正しい残り滓密度を達成できるか。
• RQ2 軽いZ'ゲージボソンが、暗黒物質と標準模型との相互作用をどれほど媒介し、凍結過程中に運動的平衡を維持するか。
• RQ3 小スケール構造問題の解決に必要な大きな自己相互作用断面積が、このモデルにおいて摂動性およびユニタリティと整合するか。
• RQ4 モデルが直接検出・間接検出の制約を満たしつつ、アベル3827クラスタで観測された暗黒物質ハロー分離を説明できるか。
• RQ5 コライダーにおけるZ'ボソンの制約、ヒッグス信号のずれ、および暗黒物質直接検出の限界が、妥当なパラメータ空間をどのように制限するか。

主な発見

• Z'ゲージボソンは、凍結過程における暗黒物質と熱的プラズマとの間の運動的平衡を維持する上で中心的な役割を果たし、SIMPメカニズムが正しい残り滓密度を生成可能にする。
• Z'および暗黒ヒッグス結合のおかげで、3対2散乱断面積が増幅され、摂動性を破らずに大きな自己相互作用を達成するSIMP条件を満たすことが可能になる。
• モデルは、アベル3827における観測された暗黒物質ハロー分離を説明でき、単位質量あたりの自己相互作用断面積σ/m 〜 1.5 cm²/g となり、観測推定値と整合する。
• Z'-媒介相互作用は、アベル3827における観測された自己相互作用信号を説明する有効な解釈を提供するが、バブルクラスターおよびハロー形状データからの制約とも整合する。
• Z'-ポータル結合が暗黒物質電荷において非対角的であるため、直接検出における電子励起断面積が抑制され、現在の実験限界以下にまで低下する。
• Z'質量が数GeVの範囲にあり、運動量混合が小さい場合には、ヒッグス信号強度およびZ'-ポータル制約とモデルが整合する。