[논문 리뷰] Thermal WIMPs and the Scale of New Physics: Global Fits of Dirac Dark Matter Effective Field Theories

The GAMBIT Collaboration, Peter Athron외 25명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 229인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 14개의 차원 6 및 차원 7 연산자로 쿼크, 글루온, 광자와 결합하는 게이지 싱게트 디랙 암흑 물질에 대한 전역 피팅을 효과적 장 이론(EFT)을 통해 제시한다. GAMBIT 프레임워크를 사용하여 직접/간접 탐지, LHC 데이터, CMB 제약 조건을 동시에 가능성 분석하였으며, LHC 과잉과 EFT 유효성 제약 조건으로 인한 갈등에도 불구하고, 새로운 물리 스케일이 약 1 TeV에 가까운 WIMP에 대해 타당한 매개변수 영역을 발견하였다. 특히 암흑 물질 질량이 100 GeV 이하일 경우에 주목할 만하다.

ABSTRACT

We assess the status of a wide class of WIMP dark matter (DM) models in light of the latest experimental results using the global fitting framework $ extsf{GAMBIT}$. We perform a global analysis of effective field theory (EFT) operators describing the interactions between a gauge-singlet Dirac fermion and the Standard Model quarks, the gluons and the photon. In this bottom-up approach, we simultaneously vary the coefficients of 14 such operators up to dimension 7, along with the DM mass, the scale of new physics and several nuisance parameters. Our likelihood functions include the latest data from $\mathit{Planck}$, direct and indirect detection experiments, and the LHC. For DM masses below 100 GeV, we find that it is impossible to satisfy all constraints simultaneously while maintaining EFT validity at LHC energies. For new physics scales around 1 TeV, our results are influenced by several small excesses in the LHC data and depend on the prescription that we adopt to ensure EFT validity. Furthermore, we find large regions of viable parameter space where the EFT is valid and the relic density can be reproduced, implying that WIMPs can still account for the DM of the universe while being consistent with the latest data.

연구 동기 및 목표

• 넓은 범위의 디랙 암흑 물질 모형의 타당성을 전역 EFT 프레임워크를 통해 평가하기 위해.
• 표준모형 쿼크, 글루온, 광자와 결합하는 디랙 암흑 물질을 위한 14개의 고차원 연산자를 동시에 제약하기 위해.
• 최신 직접 및 간접 탐지 데이터, LHC 결과, CMB 관측치와 일치하는 WIMP 모형의 일관성을 평가하기 위해.
• 유물 밀도와 실험 제약 조건을 만족시키는 데 적합한 새로운 물리 스케일을 규명하기 위해, 특히 암흑 물질 질량이 100 GeV 이하일 경우에 중점을 두고.
• EFT 유효 조건과 LHC 가능성 제약 조건이 전역 매개변수 피팅에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 14개의 EFT 연산자(차원 7까지)에 대한 베이지안 전역 분석을 수행하기 위해 GAMBIT 전역 피팅 프레임워크를 사용한다.
• 암흑 물질 질량, 새로운 물리 스케일, 14개의 연산자 계수, 그리고 부수적 매개변수를 동시에 변형한다.
• Planck CMB 데이터, 직접 탐지(LUX, XENON1T), 간접 탐지(Fermi-LAT), LHC 탐색(ATLAS/CMS)의 가능성 분포를 통합한다.
• 에너지 스케일과 연산자 차원에 기반한 EFT 유효 조건을 적용하며, LHC 에너지에서의 유효성을 확보하기 위해 캡된 가능성 분포를 사용한다.
• 유물 밀도, 직접 탐지 비율, 간접 탐지(과정 카탈로그를 통한)를 계산하기 위해 GAMBIT 내부에서 micrOMEGAs와 CalcHEP를 사용한다.
• FeynRules 모델을 CalcHEP 호환 형식으로 변환하기 위해 UFO-to-Model 변환 도구(ufo_to_mdl)를 사용하여 충돌기 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주론적 및 충돌기 제약 조건의 전체 세트를 감안할 때, 14개의 EFT 연산자를 가진 디랙 암흑 물질 모형이 여전히 타당한가?
• RQ2 EFT 유효성과 관측된 암흑 물질 유물 밀도를 만족시키는 데 있어, 100 GeV 이하의 암흑 물질 질량에서 최소한의 새로운 물리 스케일은 얼마인가?
• RQ3 LHC 데이터에서의 작은 과잉이 WIMP 유사 암흑 물질에 대한 전역 피팅 결과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 다중 EFT 연산자 간의 간섭 효과가 단일 연산자 분석 대비 유물 밀도 제약 조건을 얼마나 완화하는가?
• RQ5 EFT 유효성 제약 조건과 LHC 가능성 처리 방식의 선택에 따라 결과가 얼마나 민감하게 변하는가?

주요 결과

• 암흑 물질 질량이 100 GeV 이하일 경우, LHC 에너지에서의 EFT 유효성을 유지하면서도 모든 실험 제약 조건을 동시에 만족시키는 것은 불가능하다.
• 새로운 물리 스케일이 약 1 TeV일 경우, 결과는 LHC 데이터의 작은 과잉과 사용된 EFT 유효성 제약 조건에 민감하게 의존한다.
• EFT가 유효하고 관측된 유물 밀도가 재현되는 광범위한 타당한 매개변수 영역이 존재하며, 이는 WIMP의 타당성을 지지한다.
• 다중 연산자 간의 간섭은 특히 다중 연산자가 붕괴 반응에 기여할 경우, 유물 밀도 제약 조건을 완화하는 데 중요한 역할을 한다.
• 특히 LHC 제약 조건을 포함할 경우, LHC 데이터를 忽시한 분석 대비 타당한 매개변수 영역이 크게 감소한다.
• 캡된 LHC 가능성 분포를 사용하면 EFT의 일관성이 향상되지만, 전체 가능성 분포와 비교해 후행 분포가 다를 수 있으며, 이는 EFT 유효성 처리의 중요성을 강조한다.