[논문 리뷰] Flavoured Majorana Dark Matter then and now : From freeze-out scenarios to LHC signatures

Harun Acaroğlu, Monika Blanke외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 64인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 색상 스칼라 매개체와 우측 히든 쿼크에 유크라 쿼크와의 쿠론 상호작용을 가진 맛이 있는 마조라나 어둠침 물질 모형을 조사하며, 우주론적으로 타당한 냉각 메커니즘—특히 전환 기반 냉각—을 탐색한다. 이와 동시에 D0–D̄0 혼합, 직접/간접 어둠침 물질 탐색, LHC 서명 등 제약 조건을 통합한다. 작은 질량 분리와 약한 결합을 가진 새로운 매개변수 영역을 규명하고, 특히 미량 에너지와 함께 단일 토퍼 생성에서의 전하 비대칭성에 초점을 맞춘 새로운 LHC 탐색 전략을 제안한다.

ABSTRACT

We study a simplified Dark Matter model in the Dark Minimal Flavour Violation framework. Our model complements the Standard Model with a flavoured Dark Matter Majorana triplet and a coloured scalar mediator that share a Yukawa coupling with the right-handed up-type quarks with the coupling matrix $λ$. We extend previous work on this topic by exploring a large range of cosmologically viable parameter space, including the coannihilation region and, in particular, the region of conversion-driven freeze-out, while considering constraints from $D^0-\bar D^0$ mixing as well as constraints from direct and indirect Dark Matter searches. We find various realisations of conversion-driven freeze-out within the model, that open up allowed windows of parameter space towards small mass splittings and very weak Dark Matter couplings. Finally, we probe the model by reinterpreting current LHC searches for missing energy and long-lived particles. We point out gaps in the coverage of current constraints as well as new opportunities to search for the model at the LHC, in particular, the charge asymmetry in single-top production associated with jets and missing energy.

연구 동기 및 목표

• 색상 스칼라 매개체를 가진 맛이 있는 마조라나 어둠침 물질 모형에서 우주론적으로 타당한 어둠침 물질 매개변수 영역을 탐색한다.
• 작은 질량 분리와 약한 결합을 가진 모형에서 전환 기반 냉각의 타당성을 조사한다.
• D0–D̄0 혼합, 직접 및 간접 어둠침 물질 탐지, LHC 탐색을 통해 모형을 제약한다.
• 특히 단일 토퍼 생성에서의 전하 비대칭성과 함께, 새로운 LHC 서명을 규명한다.
• 이 모형 프레임워크 내에서 현재의 LHC 탐색 결과를 재해석하여, 에너지가 없는 상태와 장수 입자에 대한 탐색을 수행한다.

제안 방법

• 어둠침 최소 맛 위반(DMFV) 프레임워크 내에서 단순화된 어둠침 물질 모형을 수립하며, 표준모형에 마조라나 삼중항 어둠침 물질과 색상 스칼라 매개체를 추가한다.
• 어둠침 수밀 밀도의 진화를 기술하는 보르츠만 방정식을 유도하며, 상호작용, 공존, 전환 과정을 포함한다.
• 표준 냉각과 전환 기반 냉각 영역을 포함한 광범위한 매개변수 공간에 대한 현상학적 스캔을 수행한다.
• QCD와 유효장 이론 기법을 사용하여 어둠침 상호작용, 전환, 붕괴의 단면적을 계산하며, 글루온 전파체에 대한 열역학적 질량 정규화를 포함한다.
• 기존의 LHC 탐색 결과를 재해석하여, 에너지가 없는 상태와 장수 입자에 대한 탐색을 수행하며, 동일 전하 이톱 + /E_T 및 단일 토퍼 전하 비대칭성에 집중한다.
• 보르츠만 방정식의 수치적 해를 통해 어둠침과 매개체 농도의 진화를 추적하며, 냉각 역학을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전환 기반 냉각이 색상 스칼라 매개체를 가진 맛이 있는 마조라나 어둠침 물질 모형에서 발생할 수 있으며, 어떤 매개변수 영역이 이를 가능하게 하는가?
• RQ2 D0–D̄0 혼합, 직접 및 간접 어둠침 물질 탐지, LHC 탐색의 제약 조건이 타당한 매개변수 영역에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 이 모형의 특징적인 LHC 서명은 무엇이며, 특히 단일 토퍼 생성에서 에너지가 없는 상태와 함께 어떤가?
• RQ4 단일 토퍼 + 제트 + /E_T에서의 전하 비대칭성이 이 모형에 대해 어떻게 고유한 탐지 수 Mittel이 되는가?
• RQ5 작은 질량 분리와 약한 결합이 우주론적 및 입자물리적 제약 조건 하에서 모형의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 전환 기반 냉각이 모형에서 실현되며, 매우 약한 어둠침 결합과 작은 질량 분리(최소 ∆m ≈ 0.38%) 조건에서도 타당한 어둠침 잔여 밀도를 가능하게 한다.
• 공존 및 전환 기반 냉각 영역에서 새로운 매개변수 영역이 열리며, 특히 작은 질량 분리와 약한 유크라 쿼크 결합에서 두드러진다.
• D0–D̄0 혼합에 의한 제약 조건이 중요하며, 특히 큰 결합 조건에서 매개변수 영역의 큰 부분을 배제하는 데 기여한다.
• 현재의 LHC 탐색 결과는 모형의 매개변수 영역을 완전히 커버하지 못하며, 감도의 갭이 존재한다.
• 제트와 함께 에너지가 없는 상태와 함께 단일 토퍼 생성에서의 전하 비대칭성이 높은 발견 잠재력을 지닌 강력한 모형 특화 서명으로 나타난다.
• 효율적인 어둠침 상태 간 상호 전환으로 인해 어둠침 상태의 냉각 역학이 지속적으로 유지되며, 단일 어둠침 상태를 가진 모형에서 관찰되는 행동과 유사하다.