[論文レビュー] Dirac-Fermionic Dark Matter in $U(1)_X$ Models

Alexandre Alves, Asher Berlin+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 17

ひとこと要約

この論文は、$U(1)_X$ゲージ模型におけるディラックフェルミオン型ダークマターを、$Z'$-フェルミオン結合構造の4種類の異なるタイプ、すなわち$U(1)_{B-L}$、$U(1)_{d-u}$、$U(1)_{universal}$、$U(1)_{10+\bar{5}}$ について調査する。直接検出（LUX、XENON）、間接検出（Fermi-LAT）、コライダー探索（LHC二重レプトン制限）、およびミュオン磁気モーメントの制約を用いて、直接検出とコライダーの制約が、$Z'$結合が顕著に抑制されていない限り、ダークマター質量が約1 TeV未塔を除外することを示し、いくつかのモデルでは$Z'$質量が約3 TeVまで制限されることを示している。$U(1)_{d-u}$モデルは、ATLASの二ボソン過剰を説明可能である。

ABSTRACT

We study a number of $U(1)_X$ models featuring a Dirac fermion dark matter particle. We perform a comprehensive analysis which includes the study of corrections to the muon magnetic moment, dilepton searches with LHC data, as well as direct and indirect dark matter detection constraints. We consider four different coupling structures, namely $U(1)_{B-L}, U(1)_{d-u}, U(1)_{universal}$, and $U(1)_{10+\bar{5}}$, all motivated by compelling extensions to the standard model. We outline the viable and excluded regions of parameter space using a large set of probes. Our key findings are that (i) the combination of direct detection and collider constraints rule out dark matter particle masses lighter than $\sim 1$ TeV, unless rather suppressed Z'-fermion couplings exist, and that (ii) for several of the models under consideration, collider constraints rule out Z' masses up to $\sim 3$ TeV. Lastly, we show that we can accommodate the recent Diboson excess reported by ATLAS collaboration within the $U(1)_{d-u}$ model.

研究の動機と目的

• ディラックフェルミオン型ダークマターが、$Z'$-フェルミオン結合構造の異なるタイプを持つ$U(1)_X$モデルで実際に成立するかを評価すること。
• 直接検出（LUX、XENON）、間接検出（Fermi-LAT）、コライダー探索（LHC二重レプトン制限）、およびミュオン磁気モーメントの制約を評価すること。
• 観測されたダークマターの残り滓密度と摂動的可解性を満たすパラメータ空間を特定すること。
• ATLASの二ボソン過剰が、特に$U(1)_{d-u}$フレームワーク内でこれらのモデルで説明可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 大統一理論と異常キャンセレーションを動機として、$Z'$-フェルミオン結合パターンが異なる4つの$U(1)_X$モデルを構築：$U(1)_{B-L}$、$U(1)_{d-u}$、$U(1)_{universal}$、$U(1)_{10+\bar{5}}$。
• 精度を高めるために、公開コードQueiroz:2014zfaを用いてミュオン磁気モーメント（$g-2$）の補正を計算する。
• LHC二重レプトン探索のデータを用いて、$Z'$媒介型$pp \to \ell^+\ell^-$過程の制約を設け、$Z'$質量と結合定数の制限を設定する。
• LUXおよびXENONの直接検出制限を、スピン非依存およびスピン依存散乱断面積に適用する。
• Fermi-LATによる矮星系球状銀河の観測に基づく間接検出制限を、$\chi\bar{\chi} \to \gamma\gamma$、$\gamma\gamma\gamma$などに適用する。
• ボルツマン方程式と散乱断面積を用いて、熱的フリーズアウトによる正しい残り滓密度を要求する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の実験的制約を踏まえた場合、$Z'$媒介相互作用を持つ$U(1)_X$モデルにおけるディラックフェルミオン型ダークマターの妥当なパラメータ空間は何か？
• RQ2 直接検出、間接検出、およびコライダー探索（特に二重レプトン制限）が、$Z'$質量と結合強度をどの程度制限するか？
• RQ3 最近のATLASの約2 TeVにおける二ボソン過剰は、ディラックフェルミオン型ダークマター候補を有する$U(1)_{d-u}$モデルで説明可能か？
• RQ4 特に$Z'$-フェルミオン結合定数が小さい領域では、ミュオン磁気モーメント（$g-2$）の補正がパラメータ空間をどの程度制限するか？
• RQ5 直接検出とコライダー制約の組み合わせによって、許容される最小のダークマター質量は何か？また、どのような条件下でより軽い質量が成立可能となるか？

主な発見

• 直接検出とコライダー制約の組み合わせにより、$Z'$-フェルミオン結合定数が顕著に抑制されていない限り、約1 TeV未塔のディラックフェルミオン型ダークマターは除外される。
• 研究されたいくつかのモデルでは、二重レプトン探索からのコライダー制約が、$Z'$ボソン質量を約3 TeVまで制限している。
• $U(1)_{d-u}$モデルは、約2 TeVにおける最近のATLASの二ボソン過剰を説明可能であり、新しい物理の可能性を示唆している。
• ミュオン磁気モーメント（$g-2$）は、$Z'$-フェルミオン結合定数が小さい領域で強く制約をかける。この領域では直接検出および間接検出の制約が弱まる。
• 摂動的可解性の制限、すなわち$\Gamma_{Z'} \gtrsim M_{Z'}/2$ により、特に$Z'$結合定数が大きい領域ではパラメータ空間の大部分が除外される。
• 残り滓密度の制約により、すべてのモデルで観測されたダークマター密度を再現する狭いパラメータ領域が明確に特定された。