[논문 리뷰] Dark Matter phenomenology : from simplified WIMP models to refined alternative solutions

Mathias Pierre|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 17.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 248인용 수 4

한 줄 요약

이 학위논문은 간소화된 WIMP 모델을 초월하여 양성자, 스칼라, 벡터 성분의 어두운 물질(DM) 후보자들을 효과적 연산자를 통해 표준모형과 결합하는 현상학적 연구를 수행한다. 열역학적 잔여 밀도 예측은 보른 방정식을 사용하여 유도되며, 초기 우주에서의 DM 생성률을 계산하여 비-WIMP DM 시나리오가 관측된 잔여 밀도를 재현하면서도 직접 탐지 및 입자충돌 실험 제약 조건과도 일치함을 보여준다.

ABSTRACT

One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25$\%$ of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by recently observed flavour anomalies related to the $R_{K^{(*)}}$ observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the post-inflationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

연구 동기 및 목표

• 간소화된 WIMP 모델의 현상학적 프레임워크를 확장하여, 페르미온, 스칼라, 벡터 성분의 비최소 어두운 물질 후보자들을 포함시키는 것.
• 고차원 연산자를 포함한 효과적 필드 이론(EFT) 기술이 열역학적 잔여 밀도와 직접 탐지 및 입자충돌 실험 제약 조건 간의 일치를 어떻게 가능하게 하는지 조사하는 것.
• 상대론적 보른 방정식과 공명 매개체를 위한 브라이트-바이너 전파함수를 사용하여 초기 우주에서의 DM 생성률을 계산하는 것.
• 현재 실험 제약 조건을 고려할 때 표준 WIMP 프레임워크를 초월한 대안적 DM 모델의 타당성을 평가하는 것.
• 분석적 및 수치적 방법을 통해 다양한 스핀과 매개체 유형에 따른 DM 생성 단면적을 체계적으로 비교하는 것.

제안 방법

• 차원-6 연산자를 통해 DM을 표준모형 필드와 결합하는 효과적 라그랑지안을 수립하며, 결합 상수 $ g_{\rm DM} $, $ g_{\rm SM} $ 및 절단 스케일 $ \Lambda $ 를 포함한다.
• 질량이 있는 스핀-0, 스핀-1/2, 또는 스핀-1 입자 $ \tilde{h} $ 를 통해 $ s $-채널 과정에서의 DM 쌍 생성에 대한 행렬 요소 $ |\mathcal{M}|^2 $ 를 유도하며, 전파함수의 극과 너비 $ \Gamma_{\tilde{h}} $ 를 포함한다.
• 열역학적 잔여 밀도를 계산하기 위해 상대론적 보른 방정식을 적용하며, 위상공간 적분과 붕괴율을 포함한다.
• 상대론적 상황에서의 생성률 $ R $ 을 위상공간 평균과 만델스탐 변수 $ s $, $ t $, $ u $ 에 대한 적분을 통해 평가하며, 결과는 $ T $, $ M_P $, 및 $ \Lambda $ 에 따라 기술된다.
• 열역학적 단면적에서 공명 행동을 기술하기 위해 수정된 제2종 베셀 함수 $ K_1 $ 을 사용하여 $ m_{\tilde{h}} \sim T $ 영역을 기술한다.
• 표 C.1에 정리된 바와 같이, 다양한 DM 스핀(0, 1/2, 1)에 대해 결합 계수 $ \alpha, \beta_1, \beta_2, \beta_3 $ 의 수치적 평가를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비-WIMP DM 후보자(페르미온, 스칼라, 벡터)의 열역학적 잔여 밀도는 관측된 천체물리학적 어두운 물질 밀도와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 질량이 있는 스핀-0, 스핀-1/2, 또는 스핀-1 입자를 매개체로 사용할 경우, 초기 우주에서의 DM 생성 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 차원-6 연산자를 포함한 효과적 필드 이론 기술이 잔여 밀도와 직접 탐지 제약 조건에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 매개체 질량과 온도가 유사한 경우($ m_{\tilde{h}} \sim T $), 공명 매개체 효과( $ \Gamma_{\tilde{h}} $ 를 통한)는 DM 생성률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 $ m_{\tilde{h}} \gg T $ 또는 $ m_{\tilde{h}} \ll T $ 조건에서, 대안적 DM 모델이 실험 제약 조건을 피하면서도 정확한 잔여 밀도를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 스핀-0 DM의 경우 $ h_{\mu\nu} $ 교환를 통한 열역학적 생성률은 $ R^{0}_{h_{\mu\nu}} \propto T^8 / M_P^4 $ 의 스케일을 가지며, 계수는 $ \frac{11351\pi^3}{331776000} $ 이다.
• 공명 매개체 $ \tilde{h} $ 를 가진 페르미온 DM의 경우 $ m_{\tilde{h}} \ll T $ 근처에서 생성률은 $ R^{1/2}_{\tilde{h}_{\mu\nu}} \propto \frac{g_{\rm DM}^2 g_{\rm SM}^2 T^8}{\Lambda^4} $ 의 스케일을 가지며, 계수는 $ \frac{11351\pi^3}{20736000} $ 이다.
• $ m_{\tilde{h}} \sim T $ 영역에서는 페르미온 생성률에 $ K_1(m_{\tilde{h}}/T) $ 의 억제항이 포함되며, 계수는 $ \frac{209}{30720\pi^4} $ 이다. 이는 공명 증폭을 반영한다.
• $ m_{\tilde{h}} \gg T $ 인 경우, 페르미온 생성률은 $ T^{12}/(\Lambda^4 m_{\tilde{h}}^4) $ 의 스케일을 가지며, 계수는 $ \frac{205511\pi^7}{9525600} $ 이다. 이는 강한 억제를 나타낸다.
• 벡터 성분의 DM은 $ \tilde{h}_{\mu\nu} $ 를 통해 생성되며, $ m_{\tilde{h}} \ll T $ 근처에서 생성률은 $ R^{1}_{\tilde{h}_{\mu\nu}} \propto T^8 / \Lambda^4 $ 의 스케일을 가지며, 계수는 $ \frac{147563\pi^3}{124416000} $ 이다.
• 표 C.1에 기재된 결합 계수 $ \alpha, \beta_1, \beta_2, \beta_3 $ 는 수치적으로 평가되었으며, 스핀-1 DM의 경우 $ \alpha = 2.3 \times 10^{-3} $, $ \beta_1 = 3.7 \times 10^{-2} $, $ \beta_2 = 1.5 \times 10^{-4} $, $ \beta_3 = 141 $ 이다.