[論文レビュー] Dark Matter phenomenology : from simplified WIMP models to refined alternative solutions

Mathias Pierre|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 248被引用数 4

ひとこと要約

本学位論文は、簡略化されたWIMPモデルを超えた、フェルミオン的・スカラ的・ベクトル型のダークマター（DM）候補を対象とした包括的な物性論的研究を提示する。標準模型（SM）と有効オペレーターを介して結合するDMに対して、ボルツマン方程式を用いた熱的残存密度の予測を導出し、初期宇宙におけるDM生成レートを計算する。非WIMP型DMのシナリオが観測された残存密度を再現可能でありながら、直接検出および加速器実験の制約と整合的であることが示された。

ABSTRACT

One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25$\%$ of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by recently observed flavour anomalies related to the $R_{K^{(*)}}$ observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the post-inflationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

研究の動機と目的

• 簡略化WIMPモデルの物性論的枠組みを、フェルミオン的・スカラ的・ベクトル型のDMなど非最小的ダークマター候補を含むように拡張すること。
• 高次元オペレーターを用いた有効場理論（EFT）記述が、熱的残存密度と直接検出・加速器実験の制約をどのように調和できるかを調査すること。
• 相対論的ボルツマン方程式とブライト・ヴァイナー伝播関数を用いて、初期宇宙におけるDM生成レートを計算すること。
• 現在の実験的限界を踏まえて、標準的WIMPパラダイムを超えた代替DMモデルの妥当性を評価すること。
• 解析的および数値的手法を用いて、スピンや媒介粒子の種別に応じたDM生成断面積の体系的比較を提供すること。

提案手法

• 次元6のオペレーターを介してDMを標準模型場と結合する有効ラグランジアンを定式化し、結合定数 $ g_{\rm DM} $、$ g_{\rm SM} $、カットオフスケール $ \Lambda $ を含む。
• スピン0、スピン1/2、スピン1の質量のある粒子 $ \tilde{h} $ が媒介する $ s $-チャンネル過程におけるDM対生成の行列要素 $ |\mathcal{M}|^2 $ を導出する。伝播関数の極と幅 $ \Gamma_{\tilde{h}} $ を含む。
• 相空間積分と崩壊率を組み込んだ相対論的ボルツマン方程式を用いて、DMの熱的残存密度を計算する。
• 初期宇宙における生成レート $ R $ を、相空間平均とマンデルシュタム変数 $ s $、$ t $、$ u $ における積分を用いて評価する。結果は $ T $、$ M_P $、$ \Lambda $ の関数として表される。
• $ m_{\tilde{h}} \sim T $ の領域を記述するため、修正ベッセル関数 $ K_1 $ を用いて熱的断面積の共鳴的挙動を捉える。
• スピン0、1/2、1のDMに対して、表C.1に示すように、結合定数係数 $ \alpha $、$ \beta_1 $、$ \beta_2 $、$ \beta_3 $ を数値的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオン的・スカラ的・ベクトル型の非WIMP型DM候補の熱的残存密度は、観測された宇宙論的DM密度とどのように比較されるか？
• RQ2 質量のあるスピン0、スピン1/2、スピン1の粒子が媒介する場合、初期宇宙におけるDMの主な生成メカニズムは何か？
• RQ3 次元6のオペレーターを用いた有効場理論記述は、残存密度と直接検出制約にどのように影響を与えるか？
• RQ4 $ \Gamma_{\tilde{h}} $ を介した共鳴的媒介粒子効果は、媒介粒子質量と同程度の温度におけるDM生成レートにどのような影響を及えるか？
• RQ5 $ m_{\tilde{h}} \gg T $ または $ m_{\tilde{h}} \ll T $ の場合、代替DMモデルが実験的制約を回避しつつ正しい残存密度を再現できるか？

主な発見

• スピン0のDMが $ h_{\mu\nu} $ 交換を通じて生成される熱的生成レートは $ R^{0}_{h_{\mu\nu}} \propto T^8 / M_P^4 $ に比例し、係数は $ \frac{11351\pi^3}{331776000} $ である。
• 共鳴的媒介粒子 $ \tilde{h} $ を持つフェルミオン的DMでは、$ m_{\tilde{h}} \ll T $ の極限でレートは $ R^{1/2}_{\tilde{h}_{\mu\nu}} \propto \frac{g_{\rm DM}^2 g_{\rm SM}^2 T^8}{\Lambda^4} $ に比例し、係数は $ \frac{11351\pi^3}{20736000} $ である。
• $ m_{\tilde{h}} \sim T $ の領域では、フェルミオン的レートに $ K_1(m_{\tilde{h}}/T) $ の抑制が含まれ、係数 $ \frac{209}{30720\pi^4} $ により共鳴的増幅が反映される。
• $ m_{\tilde{h}} \gg T $ の場合、フェルミオン的レートは $ T^{12}/(\Lambda^4 m_{\tilde{h}}^4) $ に比例し、係数 $ \frac{205511\pi^7}{9525600} $ である。これは強い抑制を示している。
• ベクトル型DMが $ \tilde{h}_{\mu\nu} $ を介して生成される場合、$ m_{\tilde{h}} \ll T $ の極限でレートは $ R^{1}_{\tilde{h}_{\mu\nu}} \propto T^8 / \Lambda^4 $ に比例し、係数は $ \frac{147563\pi^3}{124416000} $ である。
• 表C.1の結合定数係数 $ \alpha $、$ \beta_1 $、$ \beta_2 $、$ \beta_3 $ は数値的に評価された：スピン1のDMでは、$ \alpha = 2.3 \times 10^{-3} $、$ \beta_1 = 3.7 \times 10^{-2} $、$ \beta_2 = 1.5 \times 10^{-4} $、$ \beta_3 = 141 $ である。