[論文レビュー] A Classification of Dark Matter Candidates with Primarily Spin-Dependent Interactions with Matter

Prateek Agrawal, Zackaria Chacko+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 54被引用数 58

ひとこと要約

この論文は、ローレンツ不変で木レベルの理論における、スピン依存性が支配的な弱い力で相互作用する巨大な粒子（WIMP）のダークマター候補を、モデルに依存しない分析によって分類している。その結果、スピン依存性の支配的性質を自然に実現するのはメジャナウ粒子と実ベクトルボソンに限られ、スカラー、ディラックフェルミオン、複素ベクトルボソンのダークマターは、特定の対称性が導入されない限り不適切であることが判明した。さらに、理論は弱いスケールの標準模型（SM）荷電粒子、またはTeVスケールのZ′ゲージボソンを必要とする。

ABSTRACT

We perform a model-independent classification of Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) dark matter candidates that have the property that their scattering off nucleons is dominated by spin-dependent interactions. We study renormalizable theories where the scattering of dark matter is elastic and arises at tree-level. We show that if the WIMP-nucleon cross section is dominated by spin-dependent interactions the natural dark matter candidates are either Majorana fermions or real vector bosons, so that the dark matter particle is its own anti-particle. In such a scenario, scalar dark matter is disfavored. Dirac fermion and complex vector boson dark matter are also disfavored, except for very specific choices of quantum numbers. We further establish that any such theory must contain either new particles close to the weak scale with Standard Model quantum numbers, or alternatively, a $Z'$ gauge boson with mass at or below the TeV scale. In the region of parameter space that is of interest to current direct detection experiments, these particles naturally lie in a mass range that is kinematically accessible to the Large Hadron Collider (LHC).

研究の動機と目的

• ローレンツ不変で木レベルの理論において、核子とスピン依存性の相互作用を自然に示すダークマター候補の基本的タイプを特定すること。
• スカラー、フェルミオン、ベクトルなどのダークマター粒子タイプのうち、微調整や特別な対称性がなければスピン依存性の支配的性質を示さないものを見極めること。
• 任意の実現可能なスピン依存性WIMPモデルにおいて、弱いスケールのSM荷電粒子またはTeVスケールのZ′を含む必要がある新しい物理的内容を確立すること。
• 理論的制約を、特に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のコライダーおよび直接検出の素粒子的現象論に結びつけること。

提案手法

• 弾性で木レベルの相互作用を持つローレンツ不変な量子場理論におけるWIMP-核子散乱のモデルに依存しない分類を実施すること。
• 非相対論的還元技術を用いて、有効オペレーターが支配するWIMP-核子散乱のスピン独立およびスピン依存性の寄与を区別すること。
• 非相対論的極限におけるメジャナウフェルミオン、ディラックフェルミオン、実および複素ベクトルボソン、スカラーの行列要素を評価し、断面積の振る舞いを特定すること。
• 群論的および対称性に基づく議論を用いて、微調整なしにスピン依存性の支配的性質が自然に達成可能かどうかを評価すること。
• 換算質量μおよび核スピン量子数JNを用いた非相対論的散乱断面積の明示的表現を導出すること。スピン依存性カップリング要因を含む。
• ラグランジアンの形と電荷保存則を用いて、行列要素の構造とクォークスピン密度（Δq）およびカップリング定数（dq, bqなど）への依存性を特定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スカラー、ディラックフェルミオン、メジャナウフェルミオン、実または複素ベクトルボソンといった基本的なダークマター粒子タイプの中で、特別な対称性が不要な状態でスピン依存性WIMP-核子散乱を自然に生じさせるものはどれか？
• RQ2 ローレンツ不変理論で木レベルのスピン依存性WIMP-核子散乱を実現するための最小限の新しい物理的要件（例：新しい粒子やゲージボソン）は何か？
• RQ3 なぜスカラーおよびディラックフェルミオンのダークマター候補はスピン依存性の支配的性質に対して不適切であり、どのような条件下で依然として寄与できるのか？
• RQ4 得られた断面積は核スピン量子数JNにどのように依存するか？また、直接検出感度にどのような含意があるか？
• RQ5 このようなスピン依存性WIMPモデルのコライダーの特徴は何か？特に大型ハドロン衝突型加速器（LHC）およびTeVスケールの物理学の到達範囲において。

主な発見

• スピン依存性のWIMP-核子散乱を木レベルで自然に実現するのは、唯一、メジャナウフェルミオンと実ベクトルボソンのダークマター候補に限られる。
• スカラーのダークマターは、カップリング構造に関わらず、WIMP-核子散乱が完全にスピン独立的であるため、不適切である。
• ディラックフェルミオンおよび複素ベクトルボソンは、SM場の電荷共役不変性を模倣する離散的対称性が理論に含まれない限り、スピン依存性の支配的性質を示さない。
• 任意の実現可能なスピン依存性WIMPモデルには、弱いスケールのSM量子数を持つ新しい粒子、または質量が≤TeVスケールのZ′ゲージボソンが存在しなければならない。
• メジャナウフェルミオンのスピン依存性断面積は、ディラックフェルミオンの4倍に達する。これは、メジャナウの場合に双線形カレントが存在しないためである。
• 軸性ベクトル相互作用によるベクトルボソンのダークマターの断面積はJN(JN+1)に比例し、クォークカップリング定数およびスピン密度の和に比例する係数を有する。核スピン量子数に伴い増幅される。