[논문 리뷰] Relic density of dark matter in the inert doublet model beyond leading order for the low mass region: 2. Co-annihilation

Shankha Banerjee, F. Boudjema외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 48인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 저질량 다크 머터에 대한 인ert 이중체 모형(IDM)에서 코-annihi 렙션 과정에 대한 1-루프 양자전자역학 보정을 계산한다. 주로 AX → f̄f 및 XX → WW⋆를 다루며, 보정은 Z 보손 관측량에 기반한 효과적인 단면적을 잘 근사함을 보여주며, 우주 배경에서의 잔류 밀도에 미치는 영향은 최대 3% 이하로 작다. 이는 주로 AX → f̄f 채널이 지배적이기 때문이다. 반면, 보조 채널인 WW⋆ 채널은 λ₂에 의한 다크 세터 자기상호작용에 민감함을 드러낸다.

ABSTRACT

We examine the relic density of the light mass dark matter region in the inert doublet model (IDM) when the dominant process is due to co-annihilation between the lightest neutral scalars of the model. The full one-loop electroweak corrections are computed in an on-shell scheme and are found to be well approximated as an effective cross-section expressed in terms of $Z$-observables. The electroweak corrections to the subdominant process which consists of an annihilation into an on-shell $W$ and an off-shell $W$, that is calculated as a annihilation into a 3-body final state, is also performed. The latter reveals an important dependence on a parameter that describes the self-interaction of the new scalars (solely within the dark sector), a parameter which is not accessible in tree-level calculations of standard model (SM)-IDM interactions.

연구 동기 및 목표

• 저질량 다크 머터에 대한 인트 이중체 모형(IDM)에서 주요 코-annihi 렙션 과정인 AX → f̄f에 대한 1-루프 양자전자역학 보정을 계산한다.
• 작은 질량 불일치가 존재하는 코-annihi 렙션 영역에서 1-루프 보정이 잔류 밀도에 미치는 영향을 평가한다.
• 나무 수준에서 관측 불가능한 보조 채널 XX → WW⋆에서 다크 세터 자기상호작용 계수 λ₂의 역할을 조사한다.
• 완전한 1-루프 계산이 일반적으로 사용되는 α(MZ²) 근사보다 더 작은 보정을 제공하는지 평가한다.

제안 방법

• AX → f̄f 과정에 대해 온-셸 스킴을 사용하여 1-루프 양자전자역학 보정을 계산하였으며, 앰플리튜드에 대한 완전한 해석식을 유도하였다.
• 보정은 Z 보손 부분 폭 ΓZ→f̄f를 사용하여 효과적인 단면적으로 재표현되어 모형에 종속되지 않는 매개변수화가 가능해졌다.
• 보조적인 XX → WW⋆ 과정에 대해서는 2→3 최종 상태를 1-루프 수준에서 다루었으며, 비탄성 W 보손과 가상 보정을 포함하였다.
• microMEGAs를 사용하여 보틀만 방정식를 해결함으로써 잔류 밀도를 계산하였으며, 1-루프 단면적과 Z-기반 효과적 매개변수화를 통합하였다.
• 수치적 검증을 위해 벤치마크 포인트 P58 (MX = 58 GeV, m− = 8 GeV) 과 P60 (MX = 60 GeV, m− = 8 GeV) 를 사용하였다.
• λ₂ 가 WW⋆ 채널에 미치는 영향을 고립하고 정량화하였으며, 나무 수준에서는 드러나지 않는 다크 세터 동역학에 대한 민감도를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코-annihi 렙션에 의해 지배되는 저질량 다크 머터의 IDM에서 1-루프 양자전자역학 보정은 잔류 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 AX → f̄f에 대한 완전한 1-루프 보정은 ΓZ→f̄f와 같은 Z-관측량을 기반으로 효과적으로 매개변수화될 수 있는가?
• RQ3 보조 채널 XX → WW⋆에서 다크 세터 자기상호작용 계수 λ₂의 역할은 무엇이며, 잔류 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 잔류 밀도 계산에서 완전한 1-루프 보정은 일반적으로 사용되는 α(MZ²) 근사와 비교해 크기가 어떻게 되는가?

주요 결과

• 주요 AX → f̄f 코-annihi 렙션 과정에 대한 1-루프 보정은 Z 보손 부분 폭에 기반한 효과적인 단면적으로 잘 근사되며, 편차는 1% 미만이다.
• 벤치마크 포인트 P58과 P60 모두에서 AX → f̄f에 의한 잔류 밀도 보정은 5% 이하이며, 가장 큰 보정(−4.45%)은 효과적인 단면적 접근법에서 관측되었다.
• 보조 채널인 WW⋆는 잔류 밀도에 약 5–10% 기여하지만, 다크 세터 자기상호작용 계수 λ₂에 대해 크게 민감하며, 나무 수준에서는 관측 불가능하다.
• λ₂ = 2일 경우, WW⋆ 채널의 보정은 AX → f̄f 보정의 일부를 상쇄하여 전체 잔류 밀도 보정을 3% 이하로 줄였다.
• 완전한 1-루프 계산은 α(MZ²) 근사보다 더 작은 보정을 제공하며, 이는 잔류 밀도에 약 10–11%의 이동을 유도한다.
• Z 관측량에 기반한 효과적인 단면적 접근법은 1% 이내로 완전한 1-루프 결과를 재현하여, 효율적인 잔류 밀도 스캔에 활용할 수 있음을 검증하였다.