[논문 리뷰] Dirac-Fermionic Dark Matter in $U(1)_X$ Models

Alexandre Alves, Asher Berlin외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 4인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 $U(1)_X$ 게이지 모형에서 네 가지 다른 $Z'$- fermion 결합 구조를 가진 디рак 페르미온 어두운 물질을 조사한다: $U(1)_{B-L}$, $U(1)_{d-u}$, $U(1)_{universal}$, 및 $U(1)_{10+\bar{5}}$. 직접 탐측(LUX, XENON), 간접 탐측(Fermi-LAT), 콜리라이저 탐색(LHC 이론 레프톤 한계), 그리고 뮤온 자기모멘트의 제약 조건을 사용하여, 직접 탐측과 콜리라이저 제약 조건이 $Z'$ 결합이 매우 억제되지 않는 한 어두운 물질 질량이 약 1 TeV 이하일 수 없음을 밝혀내며, 여러 모형에서 $Z'$ 질량이 약 3 TeV까지 배제됨을 확인한다. $U(1)_{d-u}$ 모형은 ATLAS 이이온자 과잉을 수용할 수 있다.

ABSTRACT

We study a number of $U(1)_X$ models featuring a Dirac fermion dark matter particle. We perform a comprehensive analysis which includes the study of corrections to the muon magnetic moment, dilepton searches with LHC data, as well as direct and indirect dark matter detection constraints. We consider four different coupling structures, namely $U(1)_{B-L}, U(1)_{d-u}, U(1)_{universal}$, and $U(1)_{10+\bar{5}}$, all motivated by compelling extensions to the standard model. We outline the viable and excluded regions of parameter space using a large set of probes. Our key findings are that (i) the combination of direct detection and collider constraints rule out dark matter particle masses lighter than $\sim 1$ TeV, unless rather suppressed Z'-fermion couplings exist, and that (ii) for several of the models under consideration, collider constraints rule out Z' masses up to $\sim 3$ TeV. Lastly, we show that we can accommodate the recent Diboson excess reported by ATLAS collaboration within the $U(1)_{d-u}$ model.

연구 동기 및 목표

• 다양한 $Z'$-fermion 결합 구조를 가진 $U(1)_X$ 모형에서 디рак 페르미온 어두운 물질의 타당성을 평가하기 위해.
• 직접 탐측(LUX, XENON), 간접 탐측(Fermi-LAT), 콜리라이저 탐색(LHC 이론 레프톤 한계), 그리고 뮤온 자기모멘트의 제약 조건을 평가하기 위해.
• 관측된 어두운 물질 잔류 밀도와 고유성 조건을 만족하는 매개변수 공간을 결정하기 위해.
• 특히 $U(1)_{d-u}$ 프레임워크에서 ATLAS 이이온자 과잉이 이러한 모형 내에서 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 거대 통합 이론과 이상성 제거 조건에 기반하여, 네 가지 다른 $Z'$-fermion 결합 패tern을 가진 $U(1)_X$ 모형을 구축한다: $U(1)_{B-L}$, $U(1)_{d-u}$, $U(1)_{universal}$, 및 $U(1)_{10+\bar{5}}$.
• 정밀도를 확보하기 위해 공개된 코드 Queiroz:2014zfa를 사용하여 뮤온 자기모멘트($g-2$)의 보정을 계산한다.
• LHC 이론 레프톤 탐색 데이터를 활용하여 $Z'$ 매개체 $pp \to \ell^+\ell^-$ 과정을 제약 조건화하여 $Z'$ 질량과 결합 상수에 대한 경계를 설정한다.
• LUX와 XENON의 직접 탐측 제약 조건을 적용하여 스핀 독립 및 스핀 의존 산란 횡단면에 대한 제약 조건을 설정한다.
• 드워프 타원은피계성 은하의 Fermi-LAT 관측 결과를 활용하여 $\chi\bar{\chi} \to \gamma\gamma$, $\gamma\gamma\gamma$ 등에 대한 간접 탐측 제약 조건을 적용한다.
• 열적 동결-아웃 메커니즘을 통해 정확한 잔류 밀도를 확보하기 위해 볼츠만 방정식과 상호작용 횡단면을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 실험 제약 조건을 고려할 때, $Z'$ 매개체 상호작용을 가진 $U(1)_X$ 모형에서 디рак 페르미온 어두운 물질의 타당한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ2 직접 탐측, 간접 탐측, 그리고 콜리라이저 탐색(특히 이론 레프톤 한계)은 $Z'$ 질량과 결합 강도를 어떻게 제약 조건화하는가?
• RQ3 최근 약 2 TeV에서 관측된 ATLAS 이이온자 과잉은 디랙 페르미온 어두운 물질 후보를 가진 $U(1)_{d-u}$ 모형 내에서 설명될 수 있는가?
• RQ4 작은 $Z'$-fermion 결합 강도 영역에서 뮤온 자기모멘트($g-2$)의 보정이 매개변수 공간을 얼마나 강하게 제약 조건화하는가?
• RQ5 직접 탐측과 콜리라이저 제약 조건의 조합으로 허용되는 어두운 물질의 최소 질량은 얼마이며, 어떤 조건에서 더 낮은 질량이 타당해질 수 있는가?

주요 결과

• 직접 탐측과 콜리라이저 제약 조건의 조합은 $Z'$-fermion 결합이 매우 억제되지 않는 한 약 1 TeV 이하의 디рак 페르미온 어두운 물질을 배제한다.
• 연구된 몇몇 모형에서 이론 레프톤 탐색의 콜리라이저 제약 조건이 $Z'$ 보손 질량을 약 3 TeV까지 배제한다.
• $U(1)_{d-u}$ 모형은 최근 약 2 TeV에서 관측된 ATLAS 이이온자 과잉을 수용할 수 있으며, 새로운 물리학의 잠재적 신호를 시사한다.
• 뮤온 자기모멘트($g-2$)는 직접 탐측과 간접 탐측 제약 조건이 약해지는 작은 $Z'$-fermion 결합 강도 영역에서 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 고유성 조건, 즉 $\Gamma_{Z'} \gtrsim M_{Z'}/2$로 정의된 조건은 특히 큰 $Z'$ 결합 강도에서 매개변수 공간의 상당 부분을 배제한다.
• 잔류 밀도 제약 조건은 모든 모형에서 관측된 어두운 물질 밀도를 재현할 수 있는 좁은 매개변수 영역을 성공적으로 식별한다.