[논문 리뷰] SuperWIMP meets Freeze-in

Mathias Garny, Jan Heisig|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 열적으로 평형을 이룬 매개체를 가진 Z₂-홀드 섹터에서 암흑물질이 프리즈인 및 수퍼WIMP 메커니즘을 통해 동시에 생성되는 통합 프레임워크를 조사하며, 이들의 상호작용과 천체물리적 제약 조건을 규명한다. 색깔을 가진 t-채널 매개체 모델에 대해 LHC, 초기 우주 핵합성 및 라이만-알파 숲 데이터에 의해 제약을 받는 전체 매개변수 공간을 매핑하며, 향후 HL- 및 HE-LHC에서의 발견 가능성을 강조한다.

ABSTRACT

Non-thermalized dark matter is a cosmologically valid alternative to the paradigm of weakly interacting massive particles. For dark matter belonging to a $Z_2$-odd sector that contains in addition a thermalized mediator particle, dark matter production proceeds in general via both the freeze-in and superWIMP mechanism. We highlight their interplay and emphasize the connection to long-lived particles at colliders. For the explicit example of a colored t-channel mediator model we map out the entire accessible parameter space, cornered by bounds from the LHC, big bang nucleosynthesis and Lyman-alpha forest observations, respectively. We discuss prospects for the HL- and HE-LHC.

연구 동기 및 목표

• 비열적 평형을 이룬 암흑물질을 생성하는 데 있어 프리즈인 및 수퍼WIMP 메커니즘 간의 상호작용을 탐색하는 것.
• 색깔을 가진 t-채널 매개체를 가진 Z₂-홀드 암흑 섹터에 대해 천체물리적으로 타당한 매개변수 공간을 규명하는 것.
• LHC, 초기 우주 핵합성 및 라이만-알파 숲 데이터로부터의 관측 제약 조건을 사용해 모델을 제약하는 것.
• 미래의 HL- 및 HE-LHC 런에서 장수 입자 및 암흑물질의 발견 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 초기 우주에서 열적으로 평형을 이룬 매개체를 가진 Z₂-홀드 암흑 섹터를 분석하며, 이 섹터에는 암흑물질 입자와 색깔을 가진 매개체가 포함되어 있음.
• 매개체 붕괴로부터의 프리즈인 및 매개체 계단식 붕괴로부터의 수퍼WIMP 메커니즘을 통해 암흑물질 생성을 계산함.
• 매개체 및 암흑물질의 수밀도 변화를 모델링하기 위해 볼츠만 방정식을 적용함.
• 장수 입자 및 이국적 붕괴에 대한 LHC 탐색 결과를 제약 조건으로 적용함.
• 늦게 붕괴하는 입자에 대한 초기 우주 핵합성 제약 조건과 장수 매개체에 대한 라이만-알파 숲 제약 조건을 적용함.
• 수치적 스캔을 통해 전체 매개변수 공간을 매핑하고, 향후 HL- 및 HE-LHC 감도와 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 프리즈인 및 수퍼WIMP 메커니즘이 Z₂-홀드 섹터에서 어떻게 공존하며 암흑물질 생성에 영향을 미치는가?
• RQ2 비열적 평형을 이룬 암흑물질을 가진 색깔을 가진 t-채널 매개체 모델에 대해 천체물리적 및 콜라이더 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 LHC, 초기 우주 핵합성 및 라이만-알파 숲 데이터가 함께 작용하여 타당한 매개변수 공간을 어떻게 형성하는가?
• RQ4 HL- 및 HE-LHC에서 장수 매개체 및 암흑물질을 발견할 잠재적 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 프리즈인 및 수퍼WIMP 메커니즘 간의 상호작용은 천체물리적으로 타당한 비열적 암흑물질 생성 메커니즘을 이끌어내며, 매우 풍부한 특성을 가짐.
• 모델의 매개변수 공간은 LHC의 장수 입자 탐색, 초기 우주 핵합성, 라이만-알파 숲 관측 결과에 의해 제약을 받음.
• 매개변수 공간의 상당 부분이 아직 배제되지 않았으며, 향후 HL- 및 HE-LHC 실험에서 접근 가능함.
• 색깔을 가진 매개체는 장수일 수 있으며, 콜라이더 실험에서 검출 가능하여 발견의 핵심 서명으로 기능함.
• 초기 우주 핵합성 및 라이만-알파 숲에서의 천체물리적 제약 조건은 늦게 붕괴하는 매개체를 강력하게 제한함.
• 모델은 특히 이격된 비트 및 단일 제트 탐색에서 관측 가능한 신호를 예측함.