[论文解读] Dark Matter Overview: Collider, Direct and Indirect Detection Searches

Farinaldo S. Queiroz|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 40被引用 14

一句话总结

本综述综合分析了对弱相互作用大质量粒子（WIMPs）搜寻中，对撞机、直接探测与间接探测方法之间的互补性。结果表明，通过探测最终态（如中微子）中电弱修正产生的次级伽马射线，费米-LAT和H.E.S.S.等伽马射线望远镜可将对暗物质质量高于20 TeV的探测灵敏度延伸，超越传统极限，从而为高质质量WIMP湮灭提供新的探测手段。

ABSTRACT

The complementarity of direct, indirect and collider searches for dark matter has improved our understanding concerning the properties of the dark matter particle. I will review the basic concepts that these methods rely upon and highlight what are the most important information they provide when it comes down to interpret the results in terms of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Later, I go over some of the latest results emphasizing the implications to dark matter theory in a broad sense and point out recent developments and prospects in the field.

研究动机与目标

• 综合当前对撞机、直接探测与间接探测方法在WIMP暗物质搜寻中的状态及其互补性。
• 识别来自宇宙学观测（如结构形成、CMB、星系团碰撞）对暗物质性质的关键约束。
• 评估伽马射线望远镜通过电弱修正产生的次级伽马射线发射，对高质质量WIMP湮灭的探测灵敏度。
• 证明在质量高于200 GeV时，伽马射线探测器在探测纯中微子末态湮灭通道方面可优于中微子望远镜。
• 利用电弱辐射效应，将现有伽马射线谱线限制扩展至费米-LAT与H.E.S.S.能量阈值以上，实现对更高质量的探测。

提出的方法

• 使用有效场论算符描述暗物质粒子与标准模型费米子之间的相互作用，实现不同探测方法的统一解释。
• 应用对撞机中的单X探测（如单胶子、单Z、单希格斯）探测通过s通道规范玻色子中介的WIMP产生过程。
• 分析WIMP湮灭末态中来自末态辐射与强子化的伽马射线发射，尤其关注包含夸克、带电轻子与中微子的末态。
• 引入电弱修正以模拟WIMP湮灭为中微子时产生的连续伽马射线谱，否则该过程不会直接发射光子。
• 通过利用W±玻色子辐射产生的次级伽马射线，将费米-LAT对矮星系的伽马射线谱线限制与H.E.S.S.对银心的限制扩展至20 TeV以上质量。
• 比较伽马射线望远镜与中微子望远镜探测WIMP湮灭为中微子时产生的单色谱线的灵敏度，结果表明在高质质量区域，伽马射线仪器更具优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使末态不直接发射光子，伽马射线望远镜能否探测到WIMP湮灭为中微子？
• RQ2 电弱修正在多大程度上能通过WIMP湮灭为中微子产生可探测的伽马射线信号，从而实现超越探测器动能极限的间接探测？
• RQ3 WIMP湮灭为电子/中微子与τ/中微子的伽马射线谱有何差异？能否利用伽马射线数据加以区分？
• RQ4 费米-LAT与H.E.S.S.能否通过利用W±玻色子辐射产生的次级辐射，将伽马射线谱线搜寻的灵敏度扩展至其标称能量阈值以上？
• RQ5 在何种质量范围内，伽马射线望远镜在探测WIMP湮灭为中微子时优于中微子探测器？

主要发现

• 费米-LAT与H.E.S.S.等伽马射线望远镜可通过电弱修正产生的次级伽马射线，探测到WIMP湮灭为中微子的信号，即使该末态对光子完全不可见。
• 在暗物质质量高于200 GeV时，由于W±玻色子辐射产生的可探测伽马射线谱，伽马射线望远镜对中微子末态的约束强于IceCube或Super-K等中微子探测器。
• 由于τ轻子质量更高，WIMP湮灭为τ中微子产生的伽马射线谱比湮灭为电子中微子更硬，从而可通过伽马射线数据实现潜在的味分辨。
• 通过利用电弱修正，费米-LAT与H.E.S.S.可将伽马射线谱线搜寻的灵敏度扩展至其标称能量极限以上，首次对20 TeV以上质量建立约束。
• 引入电弱修正可推导出关于WIMP湮灭为中微子的新颖且非平凡的限制，尤其在直接谱线搜寻不可行的高质质量区域。
• 分析表明，伽马射线探测器现可探测此前无法触及的WIMP参数空间区域，尤其适用于高质质量、完全不可见的末态。