[論文レビュー] Relic density of dark matter in the inert doublet model beyond leading order for the low mass region: 2. Co-annihilation

Shankha Banerjee, F. Boudjema+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 48被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、低質量なダークマターに対する不活性二重項模型（IDM）における、一Loop電弱補正を、共凝縮過程AX → f̄fおよびXX → WW⋆に対して計算する。補正は、Zボソンの観測量に基づく有効断面積によってよく近似され、主にAX → f̄fチャンネルが支配的であるため、残りの密度に及ぼす影響は小さい（≤3%）。一方、副次的WW⋆チャンネルでは、λ₂によるダークセクター内自己相互作用の感度が明らかになる。

ABSTRACT

We examine the relic density of the light mass dark matter region in the inert doublet model (IDM) when the dominant process is due to co-annihilation between the lightest neutral scalars of the model. The full one-loop electroweak corrections are computed in an on-shell scheme and are found to be well approximated as an effective cross-section expressed in terms of $Z$-observables. The electroweak corrections to the subdominant process which consists of an annihilation into an on-shell $W$ and an off-shell $W$, that is calculated as a annihilation into a 3-body final state, is also performed. The latter reveals an important dependence on a parameter that describes the self-interaction of the new scalars (solely within the dark sector), a parameter which is not accessible in tree-level calculations of standard model (SM)-IDM interactions.

研究の動機と目的

• 低質量ダークマターにおけるIDMにおける、支配的共凝縮過程AX → f̄fに対する1ループ電弱補正を計算すること。
• 質量差が小さい共凝縮領域において、1ループ補正が残り密度に与える影響を評価すること。
• 木レベルでは見えないが、副次的XX → WW⋆チャンネルにおいて、ダークセクター内自己結合パラメータλ₂の役割を調査すること。
• 完全な1ループ計算が、一般的に用いられるα(MZ²)近似よりも小さい補正をもたらすかどうかを評価すること。

提案手法

• AX → f̄f過程における1ループ電弱補正を、オンシェル体系で計算し、振幅の完全な解析的表現を導出する。
• Zボソン部分幅ΓZ→f̄fを用いて、補正を有効断面積として再表現することで、モデルに依存しないパrameterizationを可能にする。
• 副次的XX → WW⋆過程については、1ループで2→3最終状態を扱い、非オーバーラップWボソンと仮想補正を含む。
• 微小MEGAsを用いてボルツマン方程式を解き、1ループ断面積およびZに基づく有効パrameterizationを組み込むことで、残り密度を計算する。
• 数値的検証のため、ベンチマークポイントP58（MX = 58 GeV, m− = 8 GeV）およびP60（MX = 60 GeV, m− = 8 GeV）を用いる。
• λ₂がWW⋆チャンネルに与える影響を分離・定量し、木レベルでは観測できないダークセクターのダイナミクスへの感度を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共凝縮が支配的である低質量ダークマターにおけるIDMにおいて、1ループ電弱補正が残り密度にどのように影響を与えるか。
• RQ2 AX → f̄fに対する完全な1ループ補正は、ΓZ→f̄fのようなZ観測量に基づく有効断面積で効果的にパラメータ化可能か。
• RQ3 副次的XX → WW⋆チャンネルにおけるダークセクター内自己結合λ₂の役割は何か。また、残り密度にどのように影響を与えるか。
• RQ4 完全な1ループ補正は、残り密度計算において一般的に用いられるα(MZ²)近似と比較して、大きさがどう異なるか。

主な発見

• 支配的AX → f̄f共凝縮過程における1ループ補正は、Zボソン部分幅に基づく有効断面積によってよく近似され、ずれは1%未満である。
• ベンチマークポイントP58およびP60の両方において、AX → f̄fによる残り密度補正は5%未満であり、有効断面積アプローチで最大の補正（−4.45%）が観測された。
• 副次的WW⋆チャンネルは、残り密度に約5–10%寄与するが、ダークセクター内自己結合λ₂に強く依存しており、これは木レベルでは見えない。
• λ₂ = 2の場合、WW⋆チャンネルの補正はAX → f̄fの補正の一部を相殺し、全体の残り密度補正を3%未満に抑える。
• 完全な1ループ計算では、α(MZ²)近似よりも小さい補正が得られ、これは残り密度に10–11%のシフトを引き起こす。
• Z観測量に基づく有効断面積アプローチは、完全な1ループ結果を1%以内で再現しており、効率的な残り密度スキャンに有効であることが検証された。