[論文レビュー] Thermal WIMPs and the Scale of New Physics: Global Fits of Dirac Dark Matter Effective Field Theories

The GAMBIT Collaboration, Peter Athron+25 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 229被引用数 39

ひとこと要約

本稿は、14個の次元6および次元7のオペレーターを用いてゲージノンスのディラック暗黒物質を効果場理論（EFT）で全球的にフィットする。クォーク、グルーオン、光子と結合するゲージシングレットのディラックフェルミオンを対象としている。GAMBITフレームワークを用い、直接検出・間接検出、LHCデータ、CMB制約を同時に尤度解析することで、LHCの過剰とEFT有効性制約の両方の緊張があるにもかかわらず、1 TeV付近の新しい物理学スケールでWIMPの有効なパラメータ空間が得られた。特に100 GeV未塔のDM質量では顕著である。

ABSTRACT

We assess the status of a wide class of WIMP dark matter (DM) models in light of the latest experimental results using the global fitting framework $ extsf{GAMBIT}$. We perform a global analysis of effective field theory (EFT) operators describing the interactions between a gauge-singlet Dirac fermion and the Standard Model quarks, the gluons and the photon. In this bottom-up approach, we simultaneously vary the coefficients of 14 such operators up to dimension 7, along with the DM mass, the scale of new physics and several nuisance parameters. Our likelihood functions include the latest data from $\mathit{Planck}$, direct and indirect detection experiments, and the LHC. For DM masses below 100 GeV, we find that it is impossible to satisfy all constraints simultaneously while maintaining EFT validity at LHC energies. For new physics scales around 1 TeV, our results are influenced by several small excesses in the LHC data and depend on the prescription that we adopt to ensure EFT validity. Furthermore, we find large regions of viable parameter space where the EFT is valid and the relic density can be reproduced, implying that WIMPs can still account for the DM of the universe while being consistent with the latest data.

研究の動機と目的

• 広範なクラスのディラック暗黒物質モデルの妥当性を、全球的EFTフレームワークを用いて評価すること。
• 標準模型クォーク、グルーオン、光子と結合する14個の高次元オペレーターを同時に制約すること。
• WIMPモデルが最新の直接検出・間接検出データ、LHC結果、CMB観測と整合するかを評価すること。
• リリック密度と実験的制約に整合する新しい物理学スケールを特定すること、特に100 GeV未塔のDM質量において重点を置くこと。
• EFT有効性条件とLHC尤度処理のグローバルパラメータフィットに与える影響を調査すること。

提案手法

• GAMBITグローバルフィッティングフレームワークを用いて、次元7までの14個のEFTオペレーターについてベイズ的グローバル解析を実施する。
• DM質量、新しい物理学スケール、14個のオペレーター係数に加えて、ノイズパラメータも同時に変動させる。
• Planck CMBデータ、直接検出（LUX、XENON1T）、間接検出（Fermi-LAT）、LHC探索（ATLAS/CMS）の尤度を統合する。
• エネルギースケールとオペレーター次元に基づくEFT有効性条件を適用し、LHCエネルギーでの有効性を保証するためのキャップ付き尤度を導入する。
• micrOMEGAsとCalcHEPをGAMBIT内に統合し、リリック密度、直接検出率、およびプロセスカタログによる間接検出を計算する。
• FeynRulesモデルをCalcHEP互換形式に変換するためのUFO-to-Model変換ツール（ufo_to_mdl）を用いて、コライダー・シミュレーション用にモデルを変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的およびコライダー制約の全セットを考慮した場合、14個のEFTオペレーターを持つディラック暗黒物質モデルは依然として妥当性を保つことができるか？
• RQ2 EFT有効性と観測された暗黒物質リリック密度を満たす最小の新しい物理学スケールは、100 GeV未塔のDM質量においてどの程度か？
• RQ3 LHCデータにおけるわずかな過剰が、WIMPに類似した暗黒物質のグローバルフィット結果にどのように影響するか？
• RQ4 複数のEFTオペレーター間の干渉効果は、単一オペレーター解析と比較して、リリック密度制約をどの程度緩和するか？
• RQ5 結果はEFT有効性処理の選択やLHC尤度処理の方法にどの程度感度を示すか？

主な発見

• 100 GeV未塔のDM質量では、LHCエネルギーでのEFT有効性を維持しつつ、すべての実験的制約を同時に満たすことは不可能である。
• 新しい物理学スケールが約1 TeVの周辺では、結果はLHCデータにおけるわずかな過剰に敏感であり、使用されるEFT有効性処理に依存する。
• EFTが有効であり、観測されたリリック密度が再現可能な広範なパラメータ空間が存在し、WIMPの妥当性を支持する。
• 複数のオペレーター間の干渉は、特に複数のオペレーターが散乱に寄与する場合、リリック密度制約を緩和する上で顕著な役割を果たす。
• 特にLHCからの制約を組み込むことで、LHCデータを無視した解析と比較して、有効なパラメータ空間が著しく減少する。
• キャップ付きLHC尤度の使用はEFT整合性を改善するが、全尤度と比較して異なる事後分布をもたらすため、EFT有効性処理の重要性が浮き彫りになる。