[论文解读] Production and signatures of multi-flavour dark matter scenarios with t-channel mediators

Johannes Herms, Alejandro Ibarra|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 78被引用 9

一句话总结

本文研究了一种多组分暗物质模型，包含两个与t通道标量介子和右手中微子耦合的马约拉纳费米子暗物质世代。结果表明，较重的暗物质世代可显著增强热退耦过程中的遗迹丰度生成，并增强直接与间接探测信号，尤其是通过衰变产生的单能伽马射线，为超越单组分模型的可检验信号提供了新途径。

ABSTRACT

We investigate the phenomenology of a dark matter scenario containing two generations of the dark matter particle, differing only by their mass and their couplings to the other particles, akin to the quark and lepton sectors of the Standard Model. For concreteness, we consider the case where the two dark matter generations are Majorana fermions that couple to a right-handed lepton and a scalar mediator through Yukawa couplings. We identify different production regimes in the multi-flavor dark matter scenario and we argue that in some parts of the parameter space the heavier generation can play a pivotal role in generating the correct dark matter abundance. In these regions, the strength of the dark matter coupling to the Standard Model can be much larger than in the single-flavored dark matter scenario. Correspondingly the indirect and direct detection signals can be significantly boosted. We also comment on the signatures of the model from the decay of the heavier dark matter generation into the lighter.

研究动机与目标

• 探索具有两个马约拉纳费米子世代的多组分暗物质的唯象学特征。
• 研究较重的暗物质世代对遗迹丰度生成的影响。
• 识别较重态衰变在直接、间接及对撞机探测中产生的新信号。
• 评估该模型在宇宙学与实验约束下的可行性。
• 比较多组分与单组分暗物质模型中的信号强度。

提出的方法

• 构建一个具有Z2奇标量介子Σ的双世代马约拉纳费米子暗物质模型，Σ与右手中微子耦合。
• 利用汤川相互作用通过Σ交换介导ψiψj ↔l+l− 和 ψi l ↔ψj l 过程。
• 应用冻结出、共湮灭与冻结入机制，在参数空间中计算遗迹丰度。
• 利用相对论相空间与圈图振幅推导ψ2 →ψ1γ与ψ2 →ψ1e+e−的衰变宽度。
• 评估来自原初核合成、CMB再电离及伽马射线线探测（Comptel、Fermi-LAT、Integral）的约束。
• 采用基准质量（mΣ = 430 GeV，mΣ = 200 GeV）在g1-g2参数空间中绘制可行区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单组分模型相比，较重暗物质世代的存在如何改变遗迹丰度生成机制？
• RQ2 在具有t通道介导的多组分暗物质模型中，主要的产生与湮灭通道是什么？
• RQ3 较重暗物质态衰变至较轻态是否能产生可探测的单能伽马射线信号？
• RQ4 宇宙学约束（如再电离、自由流）如何限制该模型的参数空间？
• RQ5 与标准单组分模型相比，该多组分设置下直接与间接探测信号的增强程度如何？

主要发现

• 较重的暗物质世代可主导遗迹丰度生成，使得轻组分的耦合常数可显著大于单组分模型中的值。
• 当m1 = 40 eV且m2 ≳3 GeV时，ψ2 →ψ1γ衰变产生的单能伽马射线信号可被探测，其信号能量由质量差固定。
• 当m2 ≳40 GeV（m1 = 100 MeV）且m2 ≳90 GeV（m1 = 1 GeV）时，当前伽马射线仪器可探测该衰变信号。
• 由于耦合常数更大，该模型预测直接与间接探测信号增强，尤其当较重态主导冻结出过程时。
• 未来任务如e-Astrogam可将对MeV量级伽马射线线的探测灵敏度提高1至2个数量级。
• CMB再电离与自由流约束限制了参数空间，尤其对极轻的m1 < 20 eV情形。