[論文レビュー] Can we discover multi-component WIMP dark matter?

Stefano Profumo, Kris Sigurdson+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 27

ひとこと要約

本稿は、近い将来のダークマター実験が二成分のWIMPダークマター状況を検出可能かどうかを調査しており、1トン級の希土類ガス検出器を用いた直接検出および0.5 TeVのe+e−衝突型加速器を対象としている。最も検出可能とされる状況は、二つのWIMPの質量がほぼ等しく（質量差 ≈ 1）、ダークマター密度にほぼ同程度の寄与（1:1）を示す場合であり、今後の直接検出実験では、ダークマターエネルギー密度の約10％にしか寄与しない副次的成分ですら同定可能となる可能性がある。

ABSTRACT

We address the question of whether the upcoming generation of dark matter search experiments and colliders will be able to discover if the dark matter in the Universe has two components of weakly interacting massive particles (WIMPs). We outline a model-independent approach, and we study the specific cases of (1) direct detection with low-background 1 ton noble-gas detectors and (2) a 0.5 TeV center of mass energy electron-positron linear collider. We also analyze the case of indirect detection via two gamma-ray lines, which would provide a verification of such a discovery, although multiple gamma-ray lines can in principle originate from the annihilation of a single dark matter particle. For each search channel, we outline a few assumptions to relate the very small set of parameters we consider (defining the masses of the two WIMPs and their relative abundance in the overall dark matter density) with the relevant detection rates. We then draw general conclusions on which corners of a generic dual-component dark matter scenario can be explored with current and next generation experiments. We find that in all channels the ideal setup is one where the relative mass splitting between the two WIMP species is of order 1, and where the two dark matter components contribute in a ratio close to 1:1 to the overall dark matter content of the Universe. Interestingly, in the case of direct detection, future experiments might detect multiple states even if only ~ 10% of the energy-density of dark matter in the Universe is in the subdominant species.

研究の動機と目的

• 近い将来のダークマター実験が二成分のWIMPダークマター状況を発見可能かどうかを評価すること。
• 異なる実験チャンネルを通じて複数のWIMP種の検出に最も適したパラメータ空間を特定すること。
• 直接検出、e+e−衝突型加速器、およびガンマ線線による間接検出が二重WIMP成分にどの程度感度を持つかを評価すること。
• 副次的WIMP成分（ダークマター密度の約10％未満）が検出可能となる条件を特定すること。
• WIMP質量、豊度、検出可能なシグナルを結びつけるモデルに依存しないフレームワークを提供すること。

提案手法

• 二つのWIMPの質量と相対的豊度を、複数の検出チャンネルにおける検出率に結びつけるモデルに依存しないアプローチを用いる。
• 直接検出では、低バックグラウンドの1トン級希土類ガス検出器を仮定し、WIMP-核子散乱に基づいて再結合率を計算する。
• 衝突型加速器では、0.5 TeVのe+e−線形加速器を用いて、欠落エネルギーのシグナルを通じたWIMP対生成をプローブする。
• 間接検出では、WIMPの対消滅による二本のガンマ線線が確認シグナルとして検討される。
• 理論的仮定を最小限に抑え、自由パラメータとして二つのWIMP質量とその相対的リリック豊度のみを仮定する。
• 現在および次世代実験の到達範囲を評価するために、慎重な仮定のもとで検出率を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 副次的WIMP成分がダークマター密度に約10％しか寄与しない場合でも、今後の直接検出実験がその成分を検出可能か？
• RQ2 二つのWIMP間の質量差が、異なる実験チャンネル全体で検出可能性を最大にするのはどの程度か？
• RQ3 二重WIMP状況において、直接検出、衝突型加速器、間接検出の感度はどのように比較されるか？
• RQ4 一つのWIMP種から生じる二本のガンマ線線が、二つの異なるWIMP成分のシグナルを模倣できるか？
• RQ5 WIMP質量と相対的豊度によって定義されるパラメータ空間のどの領域が、近い将来の実験で探査可能か？

主な発見

• 二重WIMPダークマターの最も好都合な検出可能な状況は、二つのWIMPの質量がほぼ degenerate（質量差 ≈ 1）であり、合計ダークマター密度にほぼ同等の寄与（1:1）を示す場合である。
• 今後の1トン級希土類ガス検出器を備えた直接検出実験では、ダークマターエネルギー密度の約10％にしか寄与しない副次的WIMP成分ですら検出可能となる可能性がある。
• すべての検出チャンネルの感度は、二つのWIMPがほぼ質量に近接しており、豊度も同程度である場合に最大に達する。
• 二本のガンマ線線による間接検出は確認シグナルとして有用であるが、このような線は単一のWIMP種からも生じるため、解釈を複雑にする。
• 本研究では、質量がほぼ近接し、豊度がほぼ等しいパラメータ空間の明確な領域が、近い将来の実験にとって最もアクセス可能な領域であると特定した。
• モデルに依存しないフレームワークにより、検出チャンネル間の堅実な比較が可能となり、二重WIMP検出のためのマルチチャンネル探索の重要性が浮き彫りになった。