[논문 리뷰] WIMP and FIMP Dark Matter in Singlet-Triplet Fermionic Model

G. Bélanger, Sandhya Choubey외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 WIMP 및 FIMP 암흑물질(DM)을 동시에 실현하는 단일 프레임워크 내에서 Z2 대칭을 가진 스инг렛-트리플렛 페르미온 모형을 제안한다. 트리플렛의 경우 냉각-중단( freeze-out), 스инг렛의 경우 냉각-입( freeze-in), 그리고 다음으로 가벼운 홀수 입자(NLOP)의 후기 붕괴를 통해 암흑물질 생성을 탐색하며, 후기 붕괴 기여로 인해 1 TeV 이하에서도 잔여 밀도를 달성할 수 있음을 보여준다. 이 모형은 BBN, 직접/간접 탐지 및 입자충돌 실험 제약 조건을 모두 충족하며, LHC와 MATHUSLA에서 장수하는 NLOP에 대한 검출 가능 서명을 제공한다.

ABSTRACT

We present an extension of the SM involving three triplet fermions, one triplet scalar and one singlet fermion, which can explain both neutrino masses and dark matter. One triplet of fermions and the singlet are odd under a $Z_2$ symmetry, thus the model features two possible dark matter candidates. The two remaining $Z_2$-even triplet fermions can reproduce the neutrino masses and oscillation parameters consistent with observations. We consider the case where the singlet has feeble couplings while the triplet is weakly interacting and investigate the different possibilities for reproducing the observed dark matter relic density. This includes production of the triplet WIMP from freeze-out and from decay of the singlet as well as freeze-in production of the singlet from decay of particles that belong to the thermal bath or are thermally decoupled. While freeze-in production is usually dominated by decay processes, we also show cases where the annihilation of bath particles give substantial contribution to the final relic density. This occurs when the new scalars are below the TeV scale, thus in the reach of the LHC. The next-to-lightest odd particle can be long-lived and can alter the successful BBN predictions for the abundance of light elements, these constraints are relevant in both the scenarios where the singlet or the triplet are the long-lived particle. In the case where the triplet is the DM, the model is subject to constraints from ongoing direct, indirect and collider experiments. When the singlet is the DM, the triplet which is the next-to-lightest odd particle can be long-lived and can be probed at the proposed MATHUSLA detector. Finally we also address the detection prospects of triplet fermions and scalars at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 표준모형(SM)에 페르미온 트리플렛, 스инг렛, 스칼라 트리플렛을 추가하여 중성미온 질량과 암흑물질를 동시에 설명한다.
• 단일 모형 내에서 WIMP 및 FIMP 암흑물질 생성 메커니즘—냉각-중단, 냉각-입, 후기 붕괴—을 조사한다.
• 장수하는 다음으로 가벼운 홀수 입자(NLOP)에 대한 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건을 평가한다.
• LHC 및 향후 MATHUSLA와 같은 탐지기에서 트리플렛 페르미온과 이국 스칼라 보손의 입자충돌 탐지 가능성 평가

제안 방법

• Z2 대칭을 가진 SM의 확장으로, 세 개의 트리플렛 페르미온, 한 개의 스инг렛 페르미온, 한 개의 트리플렛 스칼라를 포함하며, 스инг렛과 한 개의 트리플렛이 Z2에 대해 홀수이므로, 이 둘 중 하나가 안정하여 암흑물질가 될 수 있다.
• 타입-III 시즈모 메커니즘을 사용하여 트리플렛과 스инг렛 페르미온 간의 혼합을 통해 가벼운 중성미온 질량을 생성한다.
• 열역학적 매체 내에서 NLOP의 붕괴, 쌍체 소멸, 융합를 통해 생성되는 것을 고려하여, 빌드업된 암흑물질 잔여 밀도를 수치적으로 계산하기 위해 볼츠만 방정식을 해석한다.
• 충돌 적분과 열평균 단면적을 포함한 열역학 이론 기법을 사용하여 냉각-입 및 냉각-중단 과정을 모델링한다.
• 모형의 타당성을 평가하기 위해 BBN, 직접/간접 탐지 및 LHC 탐색 결과로부터 제약 조건을 적용한다.
• 장수하는 NLOP에 대한 이격된 비커 탐지 기반으로 ATLAS/CMS 및 MATHUSLA 탐지기에서의 탐지 가능성 평가

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 모형이 서로 다른 생성 메커니즘을 통해 WIMP과 FIMP 암흑물질를 동시에 실현할 수 있는가?
• RQ2 다음으로 가벼운 홀수 입자(NLOP)의 후기 붕괴가 관측된 잔여 밀도에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 암흑물질 질량이 1 TeV 이하일 경우 어떻게 되는가?
• RQ3 장수하는 NLOP에 대한 빅뱅 핵합성(BBN) 제약 조건은 무엇이며, NLOP가 스инг렛인지 트리플렛인지에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 트리플렛 페르미온과 이국 힉스 보손의 입자충돌 서명은 무엇이며, LHC 또는 향후 MATHUSLA와 같은 실험에서 검출 가능할 수 있는가?
• RQ5 열역학적 매체 내에서 입자 쌍체 소멸이 FIMP 생성에 얼마나 기여할 수 있는가? 특히 신규 스칼라가 TeV 이하일 경우에 대해

주요 결과

• NLOP의 후기 붕괴 기여로 인해 트리플렛 DM 질량이 1 TeV 이하일 경우에도 관측된 암흑물질 잔여 밀도를 달성할 수 있으며, 이는 기존의 냉각-중단 기준 2.4 TeV 이론적 한계를 낮추는 데 기여한다.
• 스инг렛이 FIMP일 경우 냉각-입 생산은 주로 붕괴 과정에 의해 지배되지만, 새로운 스칼라가 TeV 이하일 경우 열역학적 매체 내 입자 쌍체 소멸이 기여가 상당히 클 수 있다.
• NLOP는 장수할 수 있으며, BBN 기간 동안의 후기 붕괴로 경량 원소 농도가 변화한다; 그러나 BBN 제약 조건을 적용한 후에도 모형은 광범위한 매개변수 공간에서 타당성을 유지한다.
• 트리플렛이 DM일 경우 직접, 간접 및 입자충돌 실험 탐지 제약 조건으로부터 제한을 받지만, 다양한 질량과 결합 상수 범위에서 여전히 타당성이 유지된다.
• 스инг렛이 FIMP일 경우 장수하는 트리플렛 NLOP로부터 기인하는 이격된 비커를 통해 MATHUSLA 탐지기로 탐지 가능하며, 이는 고유한 발견 채널을 제공한다.
• 트리플렛 페르미온과 이국 힉스 보손(H2)은 LHC에서 관측 가능한 서명을 가지며, 특히 NLOP가 장수할 경우 실연 트랙과 이격된 비커를 통해 탐지 가능하다.