[论文解读] Multipartite Dark Matter

Qing-Hong Cao, Ernest Ma+2 more|ArXiv.org|Nov 25, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 38

一句话总结

本文提出了一种通用的两组分暗物质（2DM）模型，包含一个费米子单重态（χ）和一个标量单重态（S），该模型通过 $Χ_2 \times \u03a7_2'$ 对称性实现稳定。研究表明，额外的湮灭通道 $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ 显著放松了对MSSM的严格剩留丰度约束，同时通过伽马射线谱的间接探测可区分2DM与1DM情景，尤其在质量分裂较大时更为明显。

ABSTRACT

Dark matter (comprising a quarter of the Universe) is usually assumed to be due to one and only one weakly interacting particle which is neutral and absolutely stable. We consider the possibility that there are several coexisting dark-matter particles, and explore in some detail the generic case where there are two. We discuss how the second dark-matter particle may relax the severe constraints on the parameter space of the Minimal Supersymmetric Standard Model, as well as other verifiable predictions in both direct and indirect search experiments.

研究动机与目标

• 探索在标准单重暗物质（1DM）假设之外，多个暗物质候选者的可行性。
• 解决MSSM参数空间中严重的宇宙学与实验约束，特别是中性子暗物质的过量问题。
• 研究第二暗物质粒子如何改变剩留丰度、直接探测与间接探测信号。
• 识别可观测信号——尤其是伽马射线谱中的特征——以区分两组分暗物质与传统1DM模型。

提出的方法

• 提出一个最小化的2DM模型，包含一个费米子单重态χ和一个标量单重态S，各自在不同的 $\mathbb{Z}_2$ 对称性下为奇宇称，从而保证其稳定性。
• 通过低能有效拉格朗日量推导有效相互作用，包括 $\mathcal{L}_{int} = \frac{1}{2}\lambda_2 H^\dagger H \mathcal{S}\mathcal{S} + \frac{\lambda_3}{\Lambda} H^\dagger H \bar{\chi}\chi + \frac{\lambda_4}{2\Lambda} \bar{\chi}\chi \mathcal{S}\mathcal{S}$，其中包含无量纲耦合常数 $g_\chi, g_\mathcal{S}, g_{\chi\mathcal{S}}$。
• 分析三种湮灭情形：(A) 两个粒子均通过标准模型希格斯玻色子湮灭；(B) 仅S粒子湮灭；(C) $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ 为主导湮灭通道。
• 利用NFW晕模型和增强因子计算来自银河系中心的伽马射线通量，比较2DM与1DM的预测结果。
• 利用CDMS数据评估直接探测约束，推导出当前数据下 $\sigma_0/m_i \simeq 2 \times 10^{-9}$ pb/GeV 的限制。
• 进行剩留丰度计算，表明 $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ 通道可减少MSSM中的过量产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 第二暗物质候选者是否能放松对MSSM的严格剩留丰度约束，特别是对最轻中性子的情况？
• RQ2 2DM模型的直接探测约束与1DM情况相比如何？其散射截面的可观测差异是什么？
• RQ3 通过伽马射线谱的间接探测能否区分两组分暗物质情景与标准1DM模型？
• RQ4 $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ 湮灭通道在改变剩留密度和放松MSSM约束方面起什么作用？
• RQ5 大型强子对撞机（LHC）能否基于两种暗物质粒子的产生率区分不同的2DM情景？

主要发现

• $\chi\bar{\chi} \to \mathcal{S}\mathcal{S}$ 湮灭通道开辟了一条新的衰变路径，显著降低了费米子暗物质候选者的剩留丰度，从而放松了对MSSM参数空间的约束。
• 当 $\epsilon_\chi = \epsilon_\mathcal{S} = 0.5$ 时，2DM模型在 ($m_\mathcal{S}, m_\chi$) 平面中允许一个较大的参数空间区域与WMAP数据一致，尤其在新湮灭通道活跃时更为明显。
• 2DM模型中来自银河系中心的预测伽马射线谱呈现出明显的线状特征，这是由于两种不同暗物质分布的重叠所致，与1DM情况显著不同，可能被GLAST探测到。
• 当 $m_\chi - m_\mathcal{S}$ 较大时，伽马射线谱与1DM情况相比表现出可测量的形状差异，构成关键的观测信号。
• 在情景A中，$\chi$ 和 $\mathcal{S}$ 均在LHC中产生；而在情景B中仅 $\mathcal{S}$ 产生，因此LHC数据可用来区分这两种情景。
• 直接探测的散射截面受CDMS数据限制，当前数据下的 $\sigma_0/m_i \simeq 2 \times 10^{-9}$ pb/GeV，而在仅 $\mathcal{S}$ 贡献的场景B中，该限制更弱。