[논문 리뷰] Production and signatures of multi-flavour dark matter scenarios with t-channel mediators

Johannes Herms, Alejandro Ibarra|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 18.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 78인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 t-채널 스칼라 매개체와 오른쪽 수동 렙톤에 결합된 두 개의 마요라나 페르미온 어둠성물질 세대로 구성된 다중성질 어둠성물질 시나리오를 조사한다. 무거운 어둠성물질 세대가 열기 밀도 생산을 크게 증가시키고 직접/간접 탐지 신호를 강화할 수 있음을 보여주며, 특히 붕괴에 의한 단색성 감마선을 통해 테스트 가능한 서명을 제공한다. 이는 단일 성질 모델을 초월한 검증 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We investigate the phenomenology of a dark matter scenario containing two generations of the dark matter particle, differing only by their mass and their couplings to the other particles, akin to the quark and lepton sectors of the Standard Model. For concreteness, we consider the case where the two dark matter generations are Majorana fermions that couple to a right-handed lepton and a scalar mediator through Yukawa couplings. We identify different production regimes in the multi-flavor dark matter scenario and we argue that in some parts of the parameter space the heavier generation can play a pivotal role in generating the correct dark matter abundance. In these regions, the strength of the dark matter coupling to the Standard Model can be much larger than in the single-flavored dark matter scenario. Correspondingly the indirect and direct detection signals can be significantly boosted. We also comment on the signatures of the model from the decay of the heavier dark matter generation into the lighter.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 마요라나 페르미온 세대로 구성된 다중성질 어둠성물질의 현상학을 탐구하기 위해.
• 더 무거운 어둠성물질 세대가 열기 밀도 생산에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 더 무거운 상태의 붕괴에서 유도된 직접, 간접, 콜라이더 탐색에서의 새로운 서명을 규명하기 위해.
• 우주론적 및 실험적 제약 조건 하에서 모델의 타당성을 평가하기 위해.
• 다중성질 대비 단일성질 어둠성물질 시나리오의 신호 강도를 비교하기 위해.

제안 방법

• Z2-홀드 스칼라 매개체 Σ가 오른쪽 수동 렙톤에 결합된 두 세대 마요라나 페르미온 어둠성물질 모델을 구성한다.
• Υ카와 상호작용을 통해 Σ 교환를 통한 ψiψj ↔l+l− 및 ψi l ↔ψj l 반응을 매개한다.
• 냉각, 공반열소멸, 냉각-입자 생성 메커니즘을 적용하여 매개변수 공간 전역에서 열기 밀도를 계산한다.
• 상대론적 위상공간과 루프 수준의 진폭을 사용하여 ψ2 →ψ1γ 및 ψ2 →ψ1e+e− 붕괴 폭을 유도한다.
• 빅뱅 핵합성, CMB 재이온화, 감마선 선 탐색(Comptel, Fermi-LAT, Integral)에서의 제약 조건을 평가한다.
• g1-g2 매개변수 공간에서 타당 영역을 맵핑하기 위해 기준 질량(mΣ = 430 GeV, mΣ = 200 GeV)을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 더 무거운 어둠성물질 세대 존재가 단일 성질 모델 대비 열기 밀도 생산 메커니즘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 t-채널 매개체를 가진 다중성질 어둠성물질 시나리오에서 주요 생산 및 상호작용 채널은 무엇인가?
• RQ3 더 무거운 어둠성물질 상태가 더 가벼운 상태로 붕괴할 때 감지 가능한 단색성 감마선 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ4 우주론적 제약 조건(예: 재이온화, 자유류동)이 모델의 매개변수 공간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이 다중성질 설정에서 직접 및 간접 탐지 신호는 표준 단일 성분 모델 대비 얼마나 강화될 수 있는가?

주요 결과

• 더 무거운 어둠성물질 세대가 열기 밀도 생산을 지배할 수 있으며, 이는 경량 성분의 결합 상수가 단일 성질 시나리오보다 크게 허용됨을 허용한다.
• m2 ≳3 GeV일 때 m1 = 40 eV이면 ψ2 →ψ1γ 붕괴에서 유도된 단색성 감마선 신호는 감지 가능하며, 신호 에너지는 질량 분리에 의해 고정된다.
• m2 ≳40 GeV (m1 = 100 MeV) 및 m2 ≳90 GeV (m1 = 1 GeV)일 경우 현재의 감마선 기구로는 붕괴 신호를 탐지할 수 있다.
• 더 큰 결합 상수로 인해 직접 및 간접 탐지 신호가 강화되며, 특히 더 무거운 상태가 냉각-소멸을 주도할 경우 더욱 두드러진다.
• 향후 e-Astrogam 같은 임무는 MeV 스케일 감마선 선에 대한 감도를 1–2개 정도의 주기로 향상시킬 수 있다.
• CMB 재이온화 및 자유류동 제약 조건은 특히 매우 가벼운 m1 < 20 eV일 경우 매개변수 공간을 제한한다.