[논문 리뷰] Dark Matter's secret liaisons: phenomenology of a dark U(1) sector with bound states

Marco Cirelli, Paolo Panci외 3명|INFM-OAR (INFN Catania)|2016. 12. 21.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 216인용 수 117

한 줄 요약

이 논문은 바인딩 상태 형성을 포함한 다크 U(1) 부문을 분석하고, 유물 밀도와 간접-detection 신호를 계산하며, 우주론 및 천체물리 탐색으로부터 제약을 도출한다.

ABSTRACT

Dark matter (DM) charged under a dark U(1) force appears in many extensions of the Standard Model, and has been invoked to explain anomalies in cosmic-ray data, as well as a self-interacting DM candidate. In this paper, we perform a comprehensive phenomenological analysis of such a model, assuming that the DM abundance arises from the thermal freeze-out of the dark interactions. We include, for the first time, bound-state effects both in the DM production and in the indirect detection signals, and quantify their importance for Fermi, AMS, and CMB experiments. We find that DM in the mass range 1 GeV to 100 TeV, annihilating into dark photons of MeV to GeV mass, is in conflict with observations. Instead, DM annihilation into heavier dark photons is viable. We point out that the late decays of multi-GeV dark photons can produce significant entropy and thus dilute the DM density. This can lower considerably the dark coupling needed to obtain the DM abundance, and in turn relax the existing constraints.

연구 동기 및 목표

• 질량이 있는 다크 포톤을 매개체로 하는 새로운 다크 U(1)에 의해 대전하를 갖는 다크 물질을 동기로 연구한다.
• 다크 섹터에서 바인드 상태 형성 및 붕괴 효과를 포함한 유물 밀도를 계산한다.
• 빔 덤프, 초신성, 직접 검출, BBN으로부터 제약을 평가한다.
• 감마선, 양성자 반대입자, 및 CMB 이방성으로부터의 간접 탐지 신호를 조사한다.
• 다중 GeV 규모의 다크 포톤의 지연(decays)가 DM을 희석시키고 제약을 완화하는지 탐구한다.

제안 방법

• 하이퍼차지와의 동역학적 혼합을 갖는 다크 포톤 V_D에 결합된 Dirac 페르미온 DM X를 명시한다.
• 바닥상태 BSF 채널과 그것의 붕괴(2개 또는 3개의 V_D로)까지 포함한 소멸 및 바인드 상태 형성 교차를 계산한다.
• 다크 포톤이 동역학적 혼합을 통해 SM 상태로 붕괴하는 것을 기술하고 대응하는 분기비를 결정한다.
• 결합-밀도 계산에 다크-섹터 결합 α_D를 M_DM 및 m_VD에 의해 연결한다.
• 결합-밀도 계산에 바인드 상태 효과를 포함하고 이를 우주론 및 간접 탐색 제약으로 전달한다.
• Milky Way와 드워프 은하의 속도 분포를 사용하여 교차 섹션과 신호 스펙트럼을 평가한다.

Figure 1: DM annihilation directly into dark photons (left), and via the 2-step process of formation and subsequent decay of bound states (right), for the case of para- and ortho- configurations (top and bottom diagrams, respectively). The dark photons $V_{D}$ are produced on-shell and decay into SM

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바인드-상태 형성이 다크 U(1) 모델의 열적 유물 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 (M_DM, m_VD, alpha_D, epsilon) 의 어떤 영역이 BSF를 포함할 때 우주론적 및 천체물리학 제약과 호환되는가?
• RQ3 바인드-상태 붕괴 및 다크 포톤 붕괴가 관측 가능한 간접 탐지 신호를 어떤 조건에서 생성하는가?
• RQ4 중요한 다크 포톤의 늦은 붕괴가 DM 밀도를 희석시키고 결합/제약을 완화시키는가?
• RQ5 Which indirect-detection channels (gamma rays, antiprotons, CMB) provide the strongest constraints for this scenario?

주요 결과

• 바인드 상태 형성을 포함하면 필요한 다크 결합이 관측된 DM 존재에 도달하는 데 감소한다.
• 1 GeV에서 100 TeV 사이의 질량의 DM이 MeV–GeV 다크 포톤으로 자멸하는 경우는 관찰과 충돌하지만, 더 무거운 다크 포톤으로의 자멸은 여전히 가능하다.
• 다중 GeV 다크 포톤의 늦은 붕괴가 엔트로피를 주입하고 DM 밀도를 희석시켜 모델에 대한 제약을 약화시킨다.
• 간접 탐색(Fermi, AMS-02, Planck CMB 데이터)은 파라미터 공간에 상당한 제약을 제공한다.
• 해당 분석은 자멸 및 BSF 교차 섹션에서 공명과 루프의 중요성, 교차 섹션에 대해 쿨롱(Coulomb) 영역 대 유제곱 효과의 중요성을 강조한다.
• BSF는 드워프 은하와 밀키 웨이에서 중요하지만 CMB 시대의 DM 속도에서는 무시할 수 있다.

Figure 2: The parameter space considered in this work. The dark fine structure constant $\alpha_{{D}}$ is determined on this plane, by requiring that the observed DM abundance arises from thermal freeze-out in the dark sector. Below the dashed blue line, the Bohr momentum is larger than the mediator