[논문 리뷰] Isospin violating dark matter in Stückelberg portal scenarios

Víctor Martín Lozano, Miguel Peiró외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 05.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 41인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스트링 이론의 compactification에서 유도된 슈테일베르크 포털 시나리오에서 질량이 있는 $Z'$ 보손에 의해 매개되는 이소스핀 위반 다중성 물질(DM) 상호작용을 조사한다. 이 모형들이 자연스럽게 DM 이 양성자와 중성자에 대해 다른 결합을 유도함으로써 $f_n/f_p \neq \pm1$ 및 $a_n/a_p \neq \pm1$ 가 되며, 직접 탐지 실험과 LHC 공명 탐색을 통해 검증 가능하다는 것을 보여주며, 특히 중성자 중심의 스핀-독립 신호가 두드러진다.

ABSTRACT

Hidden sector scenarios in which dark matter (DM) interacts with the Standard Model matter fields through the exchange of massive Z' bosons are well motivated by certain string theory constructions. In this work, we thoroughly study the phenomenological aspects of such scenarios and find that they present a clear and testable consequence for direct DM searches. We show that such string motivated Stückelberg portals naturally lead to isospin violating interactions of DM particles with nuclei. We find that the relations between the DM coupling to neutrons and protons for both, spin-independent (fn/fp) and spin-dependent (an/ap) interactions, are very flexible depending on the charges of the quarks under the extra U(1) gauge groups. We show that within this construction these ratios are generically different from plus and minus 1 (i.e. different couplings to protons and neutrons) leading to a potentially measurable distinction from other popular portals. Finally, we incorporate bounds from searches for dijet and dilepton resonances at the LHC as well as LUX bounds on the elastic scattering of DM off nucleons to determine the experimentally allowed values of fn/fp and an/ap.

연구 동기 및 목표

• 스튜켈베르크 $Z'$ 보손을 가진 $U(1)$ 확장 모형에서의 이소스핀 위반 다중성 물질 상호작용의 현상학적 결과를 조사하는 것.
• 추가 $U(1)$ 게이지 군에서의 쿼크 전하가 스핀-독립 및 스핀-의존 DM-핵자 상호작용에서 $f_n/f_p$ 및 $a_n/a_p$ 비율에 미치는 영향를 규명하는 것.
• LHC 이젯/이레프론 공명 탐색 및 LUX 직접 탐지 제약 조건을 사용하여 매개변수 공간을 제약하는 것.
• 기본 포털 모형과 비교하여 이러한 모형에서 중성자 중심의 DM 산란 신호가 얼마나 유망한지 평가하는 것.

제안 방법

• 다양한 비정상적인 $U(1)$ 게이지 군을 가진 은밀한 섹터 모형을 구성하여, 슈테일베르크 메커니즘을 통해 $Z'$ 보손이 생성되고 표준모형 및 은밀한 섹터 게이지 보손들과 혼성화되도록 하는 것.
• 타입 IIA 스트링 이론의 교차 D6-브레인 compactification에서 유도되는 마드리드 모형 프레임워크를 사용하여, 질량이 없는 초전하 및 질량이 있는 $Z'$ 상태를 포함하는 $U(1)$ 확장의 구체적 실현을 제공하는 것.
• 가장 가벼운 $Z'$ 질량 고유상태가 표준모형 페르미온(쿼크 및 렙톤)과 상호작용하는 효과적 결합을 계산하며, 혼성화 파라미터 $(a,b,c,d)$와 추가 $U(1)$들에서의 쿼크 전하를 매개변수로 사용하는 것.
• 스핀-독립(SI) 및 스핀-의존(SD) DM-핵자 산란 단면적을 계산하며, 양성자 및 중성자 기여를 모두 포함하고 $f_n/f_p$ 및 $a_n/a_p$ 를 핵심 관측 가능량으로 삼는 것.
• LHC 이젯 및 이레프론 공명 탐색 제약 조건과 LUX 직접 탐지 한계를 적용하여 신호 배제를 위한 최대 갭 방법을 사용하는 것.
• 실험 제약 조건이 통합된 상황에서 $f_n/f_p$ 및 $a_n/a_p$ 의 허용 영역을 매핑하기 위해 매개변수 공간 내 6개의 벤치마크 포인트(BM 포인트)를 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슈테일베르크 $Z'$ 포털 모형은 $f_n/f_p \neq \pm1$ 및 $a_n/a_p \neq \pm1$ 인 이소스핀 위반 DM 상호작용을 자연스럽게 생성할 수 있는가?
• RQ2 추가 $U(1)$ 게이지 군에서의 쿼크 전하가 DM 이 양성자와 중성자에 대해 상대적으로 어떤 강도로 결합하는지에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 LHC 이젯/이레프론 및 LUX 직접 탐지 제약 조건을 통합한 후 $f_n/f_p$ 및 $a_n/a_p$ 의 실험적으로 허용되는 값은 무엇인가?
• RQ4 이 모형에서 중성자 매개 DM 산란 과정이 양성자 매개 과정에 비해 얼마나 지배적인가?
• RQ5 LHC 공명 탐색과 직접 탐지 실험 간의 상호보완성은 SM 페르미온에 대한 $Z'$ 결합을 어떻게 분리해내는가?

주요 결과

• 슈테일베르크 $Z'$ 포털 시나리오는 추가 $U(1)$ 게이지 대칭에서의 쿼크 전하가 다를 경우에 따라 $f_n/f_p$ 및 $a_n/a_p$ 가 일반적으로 $\pm1$ 에서 벗어나는 이소스핀 위반 DM 상호작용을 자연스럽게 유도한다.
• 허용 가능한 매개변수 공간 내에서 스핀-독립 DM-핵자 산란은 대부분의 벤치마크 포인트에서 중성자 상호작용에 의해 주로 주도되며, $f_n/f_p \gg 1$ 이다.
• 스핀-의존 산란에서는 양성자 기여가 덜 억제되지만, $a_n/a_p \approx -1$ 이 여전히 일반적이며, 이는 중성자 기여가 상당히 크다는 것을 시사한다.
• LHC 이레프론 및 이젯 공명 탐색과 LUX 직접 탐지 한계가 결합되어 매개변수 공간을 강력하게 제약하며, 특히 중성자 중심의 신호가 가장 엄격하게 제약된다.
• LUX 데이터에 최대 갭 방법을 적용한 결과 모든 6개의 벤치마크 포인트에 대해 배제 영역이 확인되었으며, 시뮬레이션 프레임워크의 일관성이 검증되었다.
• LHC와 직접 탐지 실험 간의 상호보완성은 $Z'$ 가 쿼크 및 렙톤과 상호작용하는 방식을 탐색하는 데 특히 효과적이며, 이소스핀 위반 패tern을 식별하는 데 기여한다.