[논문 리뷰] The ZZ' kinetic mixing in the light of the recent direct and indirect dark matter searches

Yann Mambrini|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2011. 04. 25.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 95인용 수 50

한 줄 요약

이 논문은 어두운 물질 후보($ψ_0$)를 가진 모델에서 어두운 $U'(1)$ 게이지 보손($Z_D$)과 표준모형 초과전하 $U(1)_Y$ 사이의 운동학적 혼합을 조사한다. 직접 및 간접 어두운 물질 탐측 제약 조건, 천체물리학적 측정 및 정밀 측정을 조합할 경우 타당한 매개변수 공간이 심각하게 제한되며, 오직 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 고유선을 따라 좁은 영역만 남아 있다. 이 영역에서는 $\delta \sim 10^{-3}$이 되며, WMAP 및 XENON100 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

Several constructions, of stringy origins or not, generate abelian gauge extensions of the Standard Model (SM). Even if the particles of the SM are not charged under this extra $U'(1)$, one cannot avoid the presence of a kinetic mixing between $U'(1)$ and the hypercharge $U_Y(1)$. In this work, we constraint drastically this kinetic mixing, taking into account the recent experimental data from accelerator physics, direct detection and indirect detection of dark matter. We show that the region respecting WMAP and experimental constraints is now very narrowed along the pole line where $M_{Z_D}\simeq 2 m_{DM}$, $Z_D$ being the gauge boson associated to the extra $U'(1)$.

연구 동기 및 목표

• 최근 실험 데이터를 활용하여 어두운 $U'(1)$ 게이지 군과 표준모형 초과전하 $U(1)_Y$ 사이의 운동학적 혼합 매개변수 $\delta$ 를 제약하는 것.
• 어두운 물질 후보로 $\psi_0$ 를 가진 $Z_D$-중재 어두운 물질 모델의 타당성을 평가하는 것.
• 모델이 직접 탐측(CRESST, CoGeNT), 간접 탐측, WMAP 잔류 밀도, 전자약력 정밀 측정과의 일치성을 평가하는 것.
• 향후 1톤 XENON 유사 검출기의 잔류 허용 매개변수 공간에 대한 민감도를 결정하는 것.

제안 방법

• 모델은 안정된 어두운 물질 후보 $\psi_0$ 를 가진 어두운 $U(1)_D$ 게이지 부문을 포함하며, 1-루프 유도된 운동학적 혼합 $\delta/2 F_Y^{\mu\nu} F_D^{\mu\nu}$ 를 통해 표준모형과 결합된다.
• 운동학적 혼합 매개변수 $\delta$ 는 1-루프 수준에서 $\delta = \frac{\tilde{g}_Y \tilde{g}_D}{16\pi^2} \sum_j q_Y^j q_D^j \log(m_j^2 / M_j^2)$ 로 계산되며, $j$ 는 하이브리드 부문 상태를 뜻한다.
• 어두운 물질 $\psi_0$ 의 잔류 밀도는 $\psi_0 \psi_0 \to Z_D \to \bar{f}f$ 붕괴를 통해 계산되며, 단면적은 $\langle \sigma v \rangle \propto \delta^2 / \Gamma_{Z_D}^2$ 로 스케일되며 $\delta$ 와 $M_{Z_D}$ 에 민감하다.
• 모델은 XENON100, CRESST-II, CoGeNT의 직접 탐측 제약 조건, 간접 탐측 및 전자약력 정밀 측정 데이터와 비교된다.
• 허용 영역을 매핑하기 위해 $(m_{\psi_0}, M_{Z_D})$ 평면에서 $10^{-4} < \delta < 0.8$ 의 스캔이 수행된다.
• 향후 1톤 XENON 유사 실험의 민감도는 잔류 매개변수 공간의 비율을 평가함으로써 예측된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 현재 실험 제약 조건과 일치하는 어두운 $U'(1)$ 게이지 보손과 표준모형 초과전하 사이의 운동학적 혼합 $\delta$ 의 허용 범위는 무엇인가?
• RQ2 CRESST-II와 CoGeNT에서 보고된 저에너지 초과 현상은 WMAP 잔류 밀도와 XENON100 직접 탐측 제약 조건과 모두 일치하는가?
• RQ3 직접 탐측과 간접 탐측 제약 조건은 $Z_D$-포일 영역 근처에서 매개변수 공간을 배제하는 데 어떤 정도의 능력을 가지는가?
• RQ4 전자약력 정밀 측정과 $\rho$-매개변수의 영향은 타당한 $\delta$ 와 $M_{Z_D}$ 값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향후 1톤 XENON 유사 실험은 잔류 허용 매개변수 공간을 얼마나 넓게 배제하거나 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 제약 조건을 통과한 $Z_D$-어두운 물질 모델의 타당한 매개변수 공간은 극도로 좁아졌으며, 오직 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 고유선을 따라 좁은 스트립만 남아 있다.
• 약 7 GeV 정도의 $m_{\psi_0} \simeq 7$ GeV 영역은 여전히 타당하며, CRESST와 CoGeNT의 저에너지 초과 현상을 설명할 수 있다. 다만 다른 영역에서는 XENON100에 의해 배제된다.
• $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 영역에서는 필요한 운동학적 혼합 $\delta \sim 10^{-3}$ 이지만, WMAP 및 XENON100 제약 조건과 일치한다.
• $Z_D$-포일 영역 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 는 낮은 $\delta$ 와 충분한 붕괴 단면적을 동시에 확보할 수 있는 唯一支원 영역이며, 이는 WMAP 잔류 밀도를 충족시킨다.
• 전자약력 정밀 측정과 $\rho$-매개변수는 $M_{Z_D} \simeq M_Z$ 근처 영역, 즉 $\delta$ 가 최대가 되는 영역을 강력히 배제한다.
• 향후 1톤 XENON 유사 실험은 잔류 허용 매개변수 공간의 90% 이상을 탐사할 수 있으며, 이는 이 클래스의 모델에 매우 민감한 탐지 능력을 가짐을 의미한다.