[論文レビュー] W/Z Bremsstrahlung as the Dominant Annihilation Channel for Dark Matter, Revisited

Nicole F. Bell, James B. Dent+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、ダークマター散乱における電弱的ブレムストラール放出を再検討し、ダークマターが励起状態とほぼ縮重である場合、W/Zボソンの放出が標準的な2→2フェルミオン最終状態を上回ることが示された。ヘリシティ抑制が放射修正によって克服されることで、ℓνW、ℓ⁺ℓ⁻Z、νν̄Z などのW/Zブレムストラールチャネルが支配的となり、全散乱断面積が著しく増大し、とりわけハドロン的およびレプトン的宇宙線シグネチャーを通じて間接検出信号が変化する。

ABSTRACT

We revisit the calculation of electroweak bremsstrahlung contributions to dark matter annihilation. Dark matter annihilation to leptons is necessarily accompanied by electroweak radiative corrections, in which a $W$ or $Z$ boson is also radiated. Significantly, while many dark matter models feature a helicity suppressed annihilation rate to fermions, bremsstrahlung process can remove this helicity suppression such that the branching ratios Br($\ell νW $), Br($\ell^+\ell^-Z$), and Br($\barννZ$) dominate over Br($\ell^+\ell^-$) and Br($\barνν$). We find this is most significant in the limit where the dark matter mass is nearly degenerate with the mass of the boson which mediates the annihilation process. Electroweak bremsstrahlung has important phenomenological consequences both for the magnitude of the total dark matter annihilation cross section and for the character of the astrophysical signals for indirect detection. Given that the $W$ and $Z$ gauge bosons decay dominantly via hadronic channels, it is impossible to produce final state leptons without accompanying protons, antiprotons, and gamma rays.

研究の動機と目的

• 初期のW/Zブレムストラール断面積計算に誤りが含まれていたため、それを是正・拡張すること。
• 電弱的放射修正が、フェルミオンへのダークマター散乱におけるヘリシティ抑制をどのように克服するかを調査すること。
• W/Zブレムストラールが標準的な2→2最終状態よりも支配的になる条件を特定すること。
• 特に宇宙線スペクトルにおける間接的ダークマター検出に与える、これらの支配的3体最終状態の現象論的影響を評価すること。

提案手法

• ゲージシングレット・メジャナナ粒子であるダークマター候補が、SU(2)二重スカラーとヒーゲル相互作用によって結合するレプチロフィル的モデルを採用する。
• W/Zボソンの放出を伴う2→3過程の完全な振幅計算を実施し、ヘリシティプロジェクターを適切に用いたtチャネルおよびuチャネルの図を含む。
• チャーミカル・ファイエルツ変換を適用して、電流積を因数分解形式に書き直し、抑制されない軸性およびベクトル電流の組み合わせを特定する。
• ダークマター質量がスカラー励起状態質量とほぼ縮重である極限（μ ≈ 1）における全断面積を評価し、s波寄与に注目する。
• ブレムストラール断面積を木レベルの2→2散乱率と比較し、特定の運動学的条件下での支配的性を示す。
• ゲージ不変性を満たすために、交差した図と交差しない図の両方を含め、物理的でない寄与のキャンセルを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W/Zブレムストラールが、フェルミオンへの標準的2→2ダークマター散乱よりも支配的になる条件は何か？
• RQ2 電弱的放射修正は、メジャナナダークマター散乱におけるヘリシティ抑制をどのように克服するか？
• RQ3 共散乱領域におけるW/Zブレムストラールの影響が、全ダークマター散乱断面積に与える定量的影響は何か？
• RQ4 特にハドロン的およびレプトン的成分を含む最終状態は、間接検出信号にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ダークマターと励起状態の間の質量縮重が、ブレムストラール率の増大に果たす役割は何か？

主な発見

• W/Zブレムストラール過程、例えばℓνW、ℓ⁺ℓ⁻Z、νν̄Z は、ダークマター質量が励起状態質量とほぼ縮重（μ ≈ 1）である場合、2→2散乱チャネルを上回ることがある。
• 2→2散乱におけるヘリシティ抑制は、W/Zの放出によって克服され、最終状態の軸性ベクトル電流の組み合わせによる抑制のないs波散乱が可能になる。
• 特に共散乱領域において、3体最終状態の支配的性により、全散乱断面積が著しく増大する。
• 2→2過程がヘリシティ抑制されている場合でさえ、W/Zブレムストラールチャネルの分岐比は、標準的な2→2過程を上回る。
• 最終状態には、W/Zの崩壊から生じるハドロン成分が含まれ、観測可能な反陽子およびガンマ線シグネチャーをもたらし、これは間接検出の制約にとって重要である。
• mη² ≫ t,u の条件下で、ブレムストラール振幅の有効結合は主に軸性ベクトルに近づき、フェルミオン質量に依存しない堅牢な抑制のない振幅が得られる。