[論文レビュー] The ZZ' kinetic mixing in the light of the recent direct and indirect dark matter searches

Yann Mambrini|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Apr 25, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 95被引用数 50

ひとこと要約

本稿は、ダークマター候補（$\psi_0$）を伴うモデルにおける、ダーク $U'(1)$ ゲージボソン（$Z_D$）と標準模型 hypercharge $U(1)_Y$ 間の運動的混合を検討する。直接的および間接的ダークマター検出制約に加え、宇宙論的および精度測定の制約を組み合わせることで、許容可能なパラメータ空間が著しく制限され、$M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ ポール線に沿った非常に狭い領域のみが残る。この領域では $\delta \sim 10^{-3}$ であり、WMAP および XENON100 の制約と整合的である。

ABSTRACT

Several constructions, of stringy origins or not, generate abelian gauge extensions of the Standard Model (SM). Even if the particles of the SM are not charged under this extra $U'(1)$, one cannot avoid the presence of a kinetic mixing between $U'(1)$ and the hypercharge $U_Y(1)$. In this work, we constraint drastically this kinetic mixing, taking into account the recent experimental data from accelerator physics, direct detection and indirect detection of dark matter. We show that the region respecting WMAP and experimental constraints is now very narrowed along the pole line where $M_{Z_D}\simeq 2 m_{DM}$, $Z_D$ being the gauge boson associated to the extra $U'(1)$.

研究の動機と目的

• 最新の実験データを用いて、ダーク $U'(1)$ ゲージ群と標準模型 hypercharge $U(1)_Y$ 間の運動的混合パラメータ $\delta$ を制約すること。
• $\psi_0$ をダークマター候補とする $Z_D$-媒介のダークマターモデルの妥当性を評価すること。
• モデルが直接検出（CRESST、CoGeNT）、間接検出、WMAP 宇宙初期密度、電弱精度テストとどの程度整合するかを評価すること。
• 将来の1トン級 XENON に類似した検出器が、残存する許容可能なパラメータ空間にどの程度感度を持つのかを特定すること。

提案手法

• モデルには、安定なダークマター候補 $\psi_0$ を持つダーク $U(1)_D$ ゲージ系が含まれ、1ループ誘導による運動的混合 $\delta/2 F_Y^{\mu\nu} F_D^{\mu\nu}$ で標準模型と結合する。
• 運動的混合パラメータ $\delta$ は1ループレベルで $\delta = \frac{\tilde{g}_Y \tilde{g}_D}{16\pi^2} \sum_j q_Y^j q_D^j \log(m_j^2 / M_j^2)$ として計算され、$j$ はハイブリッド系状態を走査する。
• ダークマター $\psi_0$ の残存密度は、$\psi_0 \psi_0 \to Z_D \to \bar{f}f$ の散乱により計算され、断面積は $\langle \sigma v \rangle \propto \delta^2 / \Gamma_{Z_D}^2$ に比例し、$\delta$ および $M_{Z_D}$ に敏感である。
• 本モデルは、XENON100、CRESST-II、CoGeNT の直接検出制約に加え、間接検出および電弱精度測定データに対してもテストされる。
• 許容可能なパラメータ空間をマップするため、$10^{-4} < \delta < 0.8$ の範囲で $(m_{\psi_0}, M_{Z_D})$ 平面上でのスキャンが実施された。
• 将来の1トン級 XENON に類似した実験の感度は、残存パラメータ空間のうち何パーセントを探索可能かを評価することで予測された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての現在の実験的制約と整合するダーク $U'(1)$ ゲージボソンと標準模型 hypercharge 間の運動的混合 $\delta$ の許容範囲は何か？
• RQ2 CRESST-II および CoGeNT が報告した低エネルギー過剰を説明できるが、同時に WMAP 宇宙初期密度および XENON100 の直接検出制約と整合するモデルは可能か？
• RQ3 特に $Z_D$-ポール領域において、直接検出と間接検出の制約は、パラメータ空間を排除する能力においてどのように対比されるか？
• RQ4 電弱精度テストおよび $\rho$-パラメータは、妥当な $\delta$ および $M_{Z_D}$ 値にどのような影響を与えるか？
• RQ5 将来の1トン級 XENON に類似した実験は、残存する許容可能なパラメータ空間をどの程度排除または発見可能にするか？

主な発見

• $Z_D$-ダークマターモデルの許容可能なパラメータ空間は著しく狭くなり、$M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ ポール線に沿った非常に狭い帯のみがすべての制約を満たす。
• $m_{\psi_0} \simeq 7$ GeV の周辺領域は依然として許容可能であり、XENON100 が他の領域で除外しているにもかかわらず、CRESST および CoGeNT の低エネルギー過剰を説明可能である。
• $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ の領域では、必要な運動的混合 $\delta \sim 10^{-3}$ は小さいが、WMAP および XENON100 の制約と整合的である。
• $Z_D$-ポール領域 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ のみが、小さい $\delta$ と十分な崩壊断面積の両方を満たし、WMAP 宇宙初期密度を満たすことを可能にする。
• 電弱精度テストおよび $\rho$-パラメータは、$M_{Z_D} \simeq M_Z$ の近傍領域を強く除外しており、この領域では $\delta$ が最大になると予想される。
• 将来の1トン級 XENON に類似した実験は、残存する許容可能なパラメータ空間の90％以上を探索可能であり、この種のモデルに対して非常に感受性が高い。