[論文レビュー] W/Z Bremsstrahlung as the Dominant Annihilation Channel for Dark Matter

Nicole F. Bell, James B. Dent+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、W/Z ブレムストラールング—ダークマター散乱におけるWまたはZボソンの放射—が、特定のWIMPモデルにおいて直接フェルミオン対生成を上回り、ヘリシティ抑制を克服し、検出可能な間接的信号をもたらす可能性があると提唱している。主な結果は、この過程が陽子およびヘリウムの陽子、高エネルギーレプトンの顕著なフラックスを生成することであり、宇宙線データの解釈にとって極めて重要であるが、修正された計算では、ダークマターとゲージボソンの質量が同等である領域が支配的であることが判明している。

ABSTRACT

Dark matter annihilation to leptons, $χχ ightarrow l \bar{l}$, is necessarily accompanied by electroweak radiative corrections, in which a W or Z boson is radiated from a final state particle. Given that the W and Z gauge bosons decay dominantly via hadronic channels, it is thus impossible to produce final state leptons without accompanying protons, antiprotons, and gamma rays. Significantly, while many dark matter models feature a helicity suppressed annihilation rate to fermions, radiating a massive gauge boson from a final state fermion removes this helicity suppression, such that the branching ratios Br(l νW), Br(l^+l^- Z), and Br(ν ubar Z) dominate over Br(l\bar{l}). W/Z-bremsstrahlung thus allows indirect detection of many WIMP models that would otherwise be helicity-suppressed, or v^2 suppressed. Antiprotons and even anti-deuterons become consequential final state particles. This is an important result for future DM searches. We discuss the implications of W/Z-bremsstrahlung for "leptonic" DM models which aim to fit recent cosmic ray positron and antiproton data.

研究の動機と目的

• 電弱的放射修正、特にW/Z ブレムストラールングがヘリシティ抑制を受けたモデルにおけるダークマター散乱を支配するかどうかを調査すること。
• W/Z ブレムストラールングが、特に陽子および陽電子といった宇宙線観測量における間接的ダークマター検出に与える影響を評価すること。
• 四フェルミ相互作用極限におけるs波断面積に関する以前の主張を修正・再評価し、誤ったFierz恒等式の使用によって生じた誤りがどこに起因するかを特定すること。
• W/Z ブレムストラールングが支配的散乱過程となるパラメータ空間、特に最近の陽電子および陽子過剰を説明しようとするモデルにおいて、特に重要な領域を特定すること。

提案手法

• 量子場理論を用いて、ダークマターがフェルミオン対に散乱し、W/Zボソンを放出する2→3過程の行列要素を計算する。
• 四フェルミオン接触相互作用を簡略化するためにFierz恒等式を適用するが、後に参照恒等式におけるインデックスの誤りにより修正される。
• 位相空間積分と畳み込み技術を用いて、W/Z崩壊からの生成物（例：レプトン、陽陽子）の実験フレームスペクトルを計算する。
• W/ZボソンスペクトルとW/Zの静止系における等方的崩壊スペクトルの畳み込みにより、二次粒子のエネルギースペクトルを導出する。
• Wボソンスペクトルを楕円形近似で表すパラメトリックフィットを用いて、実験フレームにおけるWボソン分布をモデル化する。
• 分岐比と運動論的制約を組み合わせて、最終状態スペクトル（レプトン、陽陽子、陽ヘリウム）を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリシティ抑制を受けたWIMPモデルにおいて、W/Z ブレムストラールングが直接フェルミオン対散乱を上回る可能性はあるか？
• RQ2 W/Z ブレムストラールングは、最近のデータに適合するモデルにおいて、宇宙線の陽子および陽電子フラックスにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 元の解析で誤って使用されたFierz恒等式の誤りが、予測されたs波断面積およびそれによるパラメータ空間に与える影響は何か？
• RQ4 W/Z ブレムストラールングが支配的になる正しいパラメータ領域（特にダークマターとゲージボソンの質量比に関して）は何か？
• RQ5 W/Z崩壊から生じる二次粒子（例：陽子、高エネルギーレプトン）のスペクトルは、直接散乱信号と比べてどう異なるか？

主な発見

• 四フェルミ極限において、W/Z ブレムストラールングが散乱を支配するとされた元の主張は、Fierz恒等式の誤りにより誤りである。この極限では、4つの図式によるs波振幅が正確に相殺される。
• 四フェルミ極限を緩和すると、s波振幅は抑制されず、ダークマター質量 $ M_{\chi} $ とゲージボソン質量 $ M_{\eta} $ が同等である場合に支配的になる。
• s波断面積の主な寄与は、元の誤った計算と比較して $ (M_{\chi}/M_{\eta})^2 $ の因子で増幅され、より制限されたが依然として妥当なパラメータ空間を示している。
• W/Z ブレムストラールングは、WIMPモデルにおけるヘリシティ抑制を克服でき、非自明なパラメータ空間の領域で支配的散乱過程となる可能性を有する。
• この過程は、W/Z崩壊を通じて顕著な陽子および陽ヘリウムのフラックスを生成し、陽電子過剰を説明するが陽子過剰を引き起こすモデルを除外する可能性がある。
• W/Z崩壊からのレプトンスペクトルは、1次元畳み込みにより計算可能であり、スペクトルはWボソンエネルギー分布と質量ゼロの最終状態への崩壊の運動論的性質によって形作られる。