[논문 리뷰] Conversion-driven freeze-out: Dark matter genesis beyond the WIMP paradigm

Mathias Garny, Jan Heisig외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 14인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 다크 매터(DM)의 새로운 동결-아웃 메커니즘인 '변환 주도 동결-아웃'을 제안한다. 여기서 DM의 고요한 밀도는 자가 붕괴가 아니라 약한 다크 섹터 내의 변환 과정에 의해 결정되며, 매우 약한 DM-SM 결합에 의해 가능해진다. 이 메커니즘은 DM 질량을 몇 테바르트 테브로까지 허용하며, 결합 상수가 10⁻⁷ 수준으로 낮아도 되므로, 긴 생애 시간을 가진 중간 보스론을 통한 콜라이더 탐색에 유망하다.

ABSTRACT

We consider dark matter (DM) with very weak couplings to the standard model (SM), such that its self-annihilation cross section is much smaller than the canonical one, $\langleσv angle_{χχ} \ll 10^{-26}\mathrm{cm}^3/\mathrm{s}$. In this case DM self-annihilation is negligible for the dynamics of freeze-out and DM dilution is solely driven by efficient annihilation of heavier accompanying dark sector particles provided that DM maintains chemical equilibrium with the dark sector. This chemical equilibrium is established by conversion processes which require much smaller couplings to be efficient than annihilation. The chemical decoupling of DM from the SM can either be initiated by the freeze-out of annihilation, resembling a co-annihilation scenario, or of conversion processes, leading to the scenario of conversion-driven freeze-out. We focus on the latter and discuss its distinct phenomenology.

연구 동기 및 목표

• 기본적인 WIMP 프레임워크를 넘어서는 새로운 열적 다크 매터 동결-아웃 메커니즘을 탐색하기 위해.
• DM 자가 붕괴가 무시할 만큼 작지만, 고요한 밀도가 다크 섹터 내 변환 과정에 의해 결정되는 시나리오를 조사하기 위해.
• macroscopic 중간 보스론 붕괴 길이를 가진 약한 결합을 가진 DM의 타당한 매개변수 공간을 식별하기 위해.
• 장수 입자 탐색을 통해 천체물리적 고요한 밀도 제약 조건과 콜라이더 현상학을 연결하기 위해.
• 변환 주도 동결-아웃이 간접 탐지 제약 조건을 피하면서도 LHC에서 검증 가능하다는 것을 보여주기 위해.

제안 방법

• 스칼라 쿼크 파트너(톱 또는 바텀)와 메이저라 페르미온 DM을 포함한 t-채널 중간 보스론 모델을 제안한다.
• DM과 다크 섹터 입자 밀도의 연립 보른졸트만 방정식을 해결하여 화학적 평형과 탈구를 추적한다.
• 변환과 붕괴 과정의 열적으로 평균화된 단면적을 사용하며, 동결-아웃 시점에서 Γcon/H ∼1 이다.
• 화학적 탈구가 붕괴가 아닌 변환에 의해 시작됨을 조건으로 하며, 이는 TCD,con ≳ TCD,ann 이어야 한다.
• 허블 상수와 온도 매개변수 xdec를 사용하여 중간 보스론의 붕괴 길이를 유도하며, cτ ∼ 10 cm (mmed/1 TeV)⁻² (xdec/25)² 를 추정한다.
• 장수 입자 탐색 결과, 특히 이격된 궤적과 R-하드론 서명을 포함한 LHC 제약 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주의 초기 단계에서 다크 매터 고요한 밀도가 자가 붕괴 대신 변환 과정에 의해 결정될 수 있는가?
• RQ2 변환이 동결-아웃을 이끄는 다크 섹터에서 천체물리적 및 콜라이더 서명은 무엇인가?
• RQ3 어느 정도 작아야 DM-SM 결합이 변환을 통한 성공적인 동결-아웃을 가능하게 하는가?
• RQ4 이러한 모델에서 중간 보스론의 기대 붕괴 길이는 무엇이며, LHC 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 메커니즘은 간접 탐지 제약 조건을 피하면서도 콜라이더에서 접근 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 변환 주도 동결-아웃은 ⟨σv⟩χχ ≪ 10⁻²⁶ cm³/s 수준에서 타당한 DM 고요한 밀도를 가능하게 하며, 간접 탐지 제약 조건을 피할 수 있다.
• 이 메커니즘은 DM-SM 결합이 약 10⁻⁷ 수준까지 낮아도 작동 가능하여, 직접 및 간접 탐지의 범위를 훨씬 넘어서는 수준이다.
• 중간 보스론의 붕괴 길이는 질량과 xdec에 따라 밀리미터에서 수미터 수준으로 다양하며, LHC에서 장수 입자 서명을 가능하게 한다.
• 톱-필리아 모델의 경우, 중간 보스론은 트래커 내에서 붕괴한다(cτ ∼ mm–cm), 이로 인해 이격된 b-제트 또는 꺾인 궤적을 생성한다.
• 바텀-필리아 모델의 경우, 중간 보스론은 종종 검출기 안정성을 가지며, 장수된 전하를 띤 R-하드론을 유도한다.
• LHC에서의 장수 입자 탐색은 특히 300 fb⁻¹, 13–14 TeV 조건에서의 토픽-필리아 모델에 대해 남은 타당한 매개변수 공간을 탐색할 수 있다.