[論文レビュー] Update on Hidden Sectors with Dark Forces and Dark Matter

Sarah Andreas|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、複数の実験を統合して、光で、弱く結合するU(1)ゲージボソンである隠れた光子（hidden photons）に対する最新の実験的制約を更新し、暗黒物質（DM）を含む隠れたセクター理論におけるその妥当性を評価する。6 GeVのディラックフェルミオンDMが隠れた光子を介して結合するモデルでは、正しい残り滓密度とコゲント直接検出信号の両方を同時に再現可能であり、放射的または可視セクター誘導の対称性破れを伴う超対称モデルでは、スピン依存性散乱を示す妥当なメジャウナDM候補が得られることが示された。

ABSTRACT

Recently there has been much interest in hidden sectors, especially in the context of dark matter and dark forces, since they are a common feature of beyond standard model scenarios like string theory and SUSY and additionally exhibit interesting phenomenological aspects. Various laboratory experiments place limits on the so-called hidden photon and continuously further probe and constrain the parameter space; an updated overview is presented here. Furthermore, for several hidden sector models with light dark matter we study the viability with respect to the relic abundance and direct detection experiments.

研究の動機と目的

• KLOE-2、KEK、オルセー、およびビームダンプ実験を含む複数施設における隠れた光子に関する最新の実験的限界を更新・統合すること。
• 観測された残り滓密度と直接検出信号を説明できる、軽い暗黒物質（DM）を伴う隠れたセクター理論の妥当性を評価すること。
• 特にコゲント信号を考慮して、隠れた光子を介したDM相互作用が、残り滓密度と直接検出の両方の制約を同時に満たすかどうかを検討すること。
• 異常自由なU(1)対称性を有する超対称的隠れたセクター理論モデルを検討し、異なる対称性破れメカニズムから生じるDM候補（ディラック・フェルミオン／メジャウナ・フェルミオン）のプロフェッショナリズムを同定すること。
• スピン非依存性とスピン依存性散乱断面積の観点から、隠れたセクターに隠れた光子を介したDM候補としてのディラックとメジャウナの直接検出プロフェッショナリズムを比較すること。

提案手法

• 標準模型光子と隠れたU(1)ゲージボソン（隠れた光子γ′）の間の運動量混合をパラメータ化した低エネルギー有効ラグランジアンを用いる。パrameter χで表す。
• 運動量混合と隠れたセクターの結合定数の関係を χ ≈ (g_Y g_h)/(16π²) × κ で与え、κ ≈ O(1)はループ補正から得られる。
• MadGraphを用いたモンテカルロシミュレーションにより、E141、E137、E774、KEK、オルセーのビームダンプ実験の実験的受容率を再評価し、制約を強化する。
• ディラックフェルミオンDMが隠れた光子と結合する玩具的モデルを分析し、熱的冷却と直接検出率を用いて残り滓密度とスピン非依存性散乱断面積を計算する。
• スケール因子S、H₊、H₋の複素スケール超多重項と、W ⊃ λ_S S H₊ H₋ の形の超ポテンシャル項を含む超対称的隠れたセクター理論モデルを構築し、フェイジット＝イリオポロス項または放射的対称性破れによってDMを生成する。
• 2つの対称性破れ状況（可視セクター由来のD項と放射的誘導のヤコビ係数の走査）を評価し、ディラックDMとメジャウナDMの結果を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最近の実験および再解析された実験から得られる、運動量混合パrameter χおよび隠れた光子質量 m_γ′ の最新の実験的限界は何か？
• RQ2 隠れた光子を介して結合する軽いディラックフェルミオンDMは、観測された残り滓密度とコゲント直接検出信号の両方を同時に満たせるか？
• RQ3 隠れたセクターに隠れた光子を介したDMが存在する場合、ディラックフェルミオンDMとメジャウナフェルミオンDMの直接検出シグナルにはどのような違いがあるか？
• RQ4 異なる隠れたU(1)ゲージ対称性破れメカニズム（可視セクター由来のD項対比放射的破れ）が、DM候補の妥当性とプロフェッショナリズムに与える影響は何か？
• RQ5 重力媒介を伴う超対称的隠れたセクター理論モデルは、観測可能なシグナルを有する、妥当で整合性のあるDM候補をどれほど提供できるか？

主な発見

• DAΦNEでのKLOE-2実験は、φ → γ′ → e⁺e⁻ の過程において、隠れた光子に対する制限を改善した。図1のピンクの点線2本の線として示されている。
• E141、E137、E774の過去のビームダンプ実験を、更新されたモンテカルロ受容率を用いて再解析した結果、洗練された制約が得られ、図1ではグレーで示されている。
• KEKおよびオルセーのビームダンプ実験は、新たな競合可能な制限を提供しており、それぞれ図1の赤い長破線および青い実線として示されている。
• 玩具的モデルにおける6 GeVのディラックフェルミオンDMでκ = 0.1とすると、図1（右）のダークグリーン帯域内で正しい残り滓密度を達成でき、コゲント信号の紫色帯域とも整合する。
• 同じモデルにおいて、コゲント許容領域におけるスピン非依存性散乱断面積は、残り滓密度に応じてスケーリングされ、CDMSおよびXENONからの直接検出制限と整合的であり、6 GeVでは制限が強くない。
• 超対称的モデルでは、ディラックDMおよびメジャウナDM両方が正しい残り滓密度を再現可能（図3のダークグリーン帯域）であるが、スピン非依存性散乱が顕著なのはディラックDMに限られ、メジャウナDMはスピン依存性散乱が支配的であり、SI実験による制限は弱い。