[論文レビュー] SuperWIMP meets Freeze-in

Mathias Garny, Jan Heisig|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、熱的に平衡状態にある中間子を伴うZ₂奇性領域において、ダークマターがフリーズインおよびスーパーワイプメカニズムの両方で生成される統一的なフレームワークを調査し、それらの相互作用と宇宙論的制約を示している。カラーダイレクトを有するtチャネル中間子モデルに対して、LHC、ビッグバン核合成、およびライマン＝アルファフォレストのデータから制約される全パラメータ空間をマッピングし、HL-およびHE-LHCにおける発見の可能性を強調している。

ABSTRACT

Non-thermalized dark matter is a cosmologically valid alternative to the paradigm of weakly interacting massive particles. For dark matter belonging to a $Z_2$-odd sector that contains in addition a thermalized mediator particle, dark matter production proceeds in general via both the freeze-in and superWIMP mechanism. We highlight their interplay and emphasize the connection to long-lived particles at colliders. For the explicit example of a colored t-channel mediator model we map out the entire accessible parameter space, cornered by bounds from the LHC, big bang nucleosynthesis and Lyman-alpha forest observations, respectively. We discuss prospects for the HL- and HE-LHC.

研究の動機と目的

• 非熱的ダークマターを生成するフリーズインおよびスーパーワイプメカニズムの相互作用を調査すること。
• カラーダイレクトtチャネル中間子を伴うZ₂奇性ダークセクターの宇宙論的に妥当なパラメータ空間を特定すること。
• LHC、ビッグバン核合成、およびライマン＝アルファフォレストからの観測的制約を用いてモデルを制約すること。
• 将来のHL-およびHE-LHCランにおける長寿命粒子およびダークマターの発見可能性を評価すること。

提案手法

• 初期宇宙において熱的に平衡状態に達するダークマター粒子とカラーダイレクト中間子を含むZ₂奇性ダークセクターを分析する。
• 中間子の崩壊からのフリーズインおよび中間子の段階的崩壊からのスーパーワイプメカニズムの両方でダークマター生成を計算する。
• ボルツマン方程式を用いて中間子およびダークマターの数密度の時間発展をモデル化する。
• 長寿命粒子および特異な崩壊のLHC探索結果を適用する。
• 長寿命中間子の制約を、ビッグバン核合成における後期崩壊粒子およびライマン＝アルファフォレストにおける長寿命中間子の制約を適用する。
• 数値スキャンを用いて全パラメータ空間をマッピングし、将来のHL-およびHE-LHC感度と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フリーズインおよびスーパーワイプメカニズムは、Z₂奇性領域においてどのように共存し、ダークマター生成に影響を与えるか？
• RQ2 非熱的ダークマターを伴うカラーダイレクトtチャネル中間子モデルにおける、宇宙論的およびコライダーの制約は何か？
• RQ3 LHC、ビッグバン核合成、およびライマン＝アルファフォレストのデータが、どのようにして妥当なパラメータ空間を形作るか？
• RQ4 HL-およびHE-LHCにおける長寿命中間子およびダークマターの発見可能性はどの程度か？

主な発見

• フリーズインおよびスーパーワイプメカニズムの相互作用は、宇宙論的に妥当な非熱的ダークマター生成メカニズムを生み出す豊かな機構をもたらす。
• モデルのパラメータ空間は、LHCにおける長寿命粒子探索、ビッグバン核合成、およびライマン＝アルファフォレストの観測から制約を受ける。
• パラメータ空間の顕著な領域が未排除であり、将来のHL-およびHE-LHC実験で探索可能である。
• カラーダイレクト中間子は長寿命であり、コライダー実験で検出可能であり、発見の重要なシグネチャを提供する。
• ビッグバン核合成およびライマン＝アルファフォレストからの宇宙論的制約は、後期に崩壊する中間子を強く制限する。
• モデルは、とりわけずれずみ頂点およびモノジェット探索において、HL-およびHE-LHCで観測可能なシグネチャを予測する。