[論文レビュー] WIMP and FIMP Dark Matter in Singlet-Triplet Fermionic Model

G. Bélanger, Sandhya Choubey+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、WIMPおよびFIMPの両方のダークマター（DM）を1つのフレームワーク内で実現するZ2対称性を持つスピン1/2粒子のシングレット・トリプレットモデルを提案する。トリプレットのためのフリーズアウト、シングレットのためのフリーズイン、および次に軽い奇数粒子（NLOP）の遅延崩壊によるDM生成を検討し、遅延崩壊が寄与することで、1 TeV未満でもリリック密度を達成できることを示している。このモデルはBBN、直接的・間接的検出、加速器実験の制約のもとで妥当であり、LHCおよびMATHUSLAで長寿命NLOPの検出が可能である兆候を示している。

ABSTRACT

We present an extension of the SM involving three triplet fermions, one triplet scalar and one singlet fermion, which can explain both neutrino masses and dark matter. One triplet of fermions and the singlet are odd under a $Z_2$ symmetry, thus the model features two possible dark matter candidates. The two remaining $Z_2$-even triplet fermions can reproduce the neutrino masses and oscillation parameters consistent with observations. We consider the case where the singlet has feeble couplings while the triplet is weakly interacting and investigate the different possibilities for reproducing the observed dark matter relic density. This includes production of the triplet WIMP from freeze-out and from decay of the singlet as well as freeze-in production of the singlet from decay of particles that belong to the thermal bath or are thermally decoupled. While freeze-in production is usually dominated by decay processes, we also show cases where the annihilation of bath particles give substantial contribution to the final relic density. This occurs when the new scalars are below the TeV scale, thus in the reach of the LHC. The next-to-lightest odd particle can be long-lived and can alter the successful BBN predictions for the abundance of light elements, these constraints are relevant in both the scenarios where the singlet or the triplet are the long-lived particle. In the case where the triplet is the DM, the model is subject to constraints from ongoing direct, indirect and collider experiments. When the singlet is the DM, the triplet which is the next-to-lightest odd particle can be long-lived and can be probed at the proposed MATHUSLA detector. Finally we also address the detection prospects of triplet fermions and scalars at the LHC.

研究の動機と目的

• 標準模型（SM）にフェルミオンのトリプレット、シングレット、およびスカラーのトリプレットを追加し、同時にニュートリノ質量とダークマターを説明する。
• 1つのモデル内でWIMPおよびFIMPのDM生成メカニズム（フリーズアウト、フリーズイン、遅延崩壊）を調査する。
• ビッグバン核合成（BBN）からの宇宙論的制約を、長寿命の次に軽い奇数粒子（NLOP）に適用する。
• LHCおよび将来の検出器（例：MATHUSLA）におけるトリプレットフェルミオンおよび特異なヒッグス粒子の加速器検出可能性を評価する。

提案手法

• Z2対称性を持つSMの拡張として、3つのトリプレットフェルミオン、1つのシングレットフェルミオン、1つのスカラーのトリプレットを導入し、シングレットおよび1つのトリプレットがZ2に関して奇数であるように設定することで、いずれかが安定でDMとして機能することを保証する。
• タイプIIIのシーイズメカニズムを用いて、トリプレットとシングレットフェルミオンの混合により、軽いニュートリノ質量を生成する。
• バッチの熱的状態におけるNLOP生成（崩壊、対消滅、融合）を考慮し、ボルツマン方程式を数値的に解いてDMのリリック密度を計算する。
• 衝突積分および熱平均断面積を用いた熱場理論的手法を用い、フリーズインおよびフリーズアウト過程をモデル化する。
• BBN、直接的・間接的検出、LHC探索の制約を課して、モデルの妥当性を検証する。
• ATLAS/CMSにおけるずらし頂点探索およびMATHUSLA検出器による長寿命NLOPの検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのモデルが、異なる生成メカニズムを通じてWIMPおよびFIMPの両方のダークマターを実現できるか？
• RQ2 次に軽い奇数粒子（NLOP）の遅延崩壊が、特にDM質量が1 TeV未満の場合に観測されたリリック密度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 長寿命NLOPに対するビッグバン核合成（BBN）からの宇宙論的制約は何か？また、NLOPがシングレットかトリプレットかによってその依存性はどのように変化するか？
• RQ4 トリプレットフェルミオンおよび特異なヒッグス粒子の加速器シグネチャは何か？LHCや将来の実験（例：MATHUSLA）で検出可能か？
• RQ5 バッチ粒子の対消滅が、特に新しいスカラーがTeVスケール未満の場合にFIMP生成にどの程度寄与するか？

主な発見

• NLOPの遅延崩壊寄与のおかげで、トリプレットDMが1 TeV未満でも観測されたDMリリック密度を達成可能であり、標準的なフリーズアウト閾値（2.4 TeV）を下回る質量で実現可能である。
• シングレットがFIMPの場合、フリーズイン生成は主に崩壊過程に支配されるが、新しいスカラーがTeVスケール未満の場合、バッチ粒子の対消滅が顕著な寄与を示す。
• NLOPは長寿命であり、BBN中に遅延崩壊することで軽い元素の豊度が変化するが、BBN制約を適用した後もパラメータ空間の広い領域でモデルは妥当である。
• トリプレットがDMの場合、直接的・間接的検出および加速器探索による制約を受けるが、質量および結合定数の広い範囲でモデルは妥当である。
• シングレットがFIMPの場合、長寿命のトリプレットNLOPからのずらし頂点をMATHUSLA検出器で探査可能であり、独自の発見チャネルを提供する。
• トリプレットフェルミオンおよび特異なヒッグス粒子（H2）は、LHCで消えるトラックやずらし頂点といった検出シグネチャを示しており、特にNLOPが長寿命である場合に顕著である。