[論文レビュー] WIMPs and Un-Naturalness

Luca Vecchi|arXiv (Cornell University)|Dec 19, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 45被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、微調整された電弱自然性の下で、任意スピンのゲージノンスのダークマター候補について、モデルに依存しない相対論的有効場理論の分析を提示している。直接検出のシグネチャに注目し、非自然なモデルが直接検出実験によって非常に感受しやすいことが示されている。特に、整合性のない自然性の下で、反応率の高いCP偶性スカラーのcharmクォークへの結合が、量子異常性の影響により約20%増加している。現在のデータと自然性の制約から、スカラーまたは実数のWIMPが最も支持されていることが判明した。

ABSTRACT

The WIMP "miracle" suggests a new physics threshold ranging from the weak scale up to several tens of TeVs. Obtaining the correct dark matter density in many theories aiming to solve the hierarchy problem may thus require some amount of tuning of the weak scale, hinting at a possible connection between WIMP dark matter and unnaturalness. We point out that dark matter direct detection is a very efficient probe of these unnatural models, and that existing data already provide important clues to the nature of the associated WIMPs. We present a model-independent, relativistic analysis of the signatures of a gauge-singlet dark matter candidate of arbitrary spin, and discuss the current experimental bounds from LUX and XENON100. For complex WIMPs, dark matter direct detection is complementary to electroweak precision tests, and can even compete with flavor constraints if the dark matter has spin. Particularly relevant for future searches are couplings to the Higgs mass operator, which are expected to be large if the electroweak scale is finely tuned. Care is devoted to the RG evolution of the effective Lagrangian. We find that the CP-even scalar coupling to charm quarks is enhanced by about 20% compared to the one-loop estimate. When pushed in the unnatural regime, warped extra dimensions -- with or without custodial symmetry -- become attractive theories for flavor, the Higgs mass, and dark matter. The WIMP argument basically sets an upper bound on unnaturalness, whereas direct detection experiments select scalar or real particles as the most compelling dark matter candidates.

研究の動機と目的

• 微調整された電弱スケールを有する理論におけるWIMPダークマターと階層問題の関係を調査すること。
• 任意スピンのゲージノンスのダークマター候補の直接検出を、有効場理論を用いてモデルに依存しないフレームワークで開発すること。
• 非自然なモデルを探索する上で、直接検出と電弱精度およびフラバー制約の相補性を評価すること。
• 特に重いクォーク（charmおよびbottom）への有効結合のローレンツ群の進化を定量化すること。
• 現在の直接検出データと自然性の議論から、スカラー、実数、複素数のWIMPのどのタイプが最も支持されているかを特定すること。

提案手法

• 任意スピンのゲージノンスのダークマターを対象とした、相対論的でモデルに依存しない有効ラグランジアンを構築し、すべての関連する次元6のオペレーターを含む。
• 4ループQCDのβ関数とMS̄スキームにおける質量異常次元を用いて、紫外線スケールから核子スケールへのローレンツ群の進化を適用する。
• クォークの閾値（例：mc, mb, mt）での有効結合の摂動的マッチング条件を用い、NLO補正を含む。
• トレース異常と核子テンソル構造を介して核子行列要素を導出し、核子への有効結合fTq(N)とfTG(N)を計算する。
• PDGのクォーク質量とαs(mZ) = 0.1184を用いた数値解析を行い、不確実性をローレンツ群の進化にわたって伝搬する。
• Lattice QCDと先行研究との整合性を検証し、fTc(N)について良好な一致が得られ、NLO補正においても精度が向上していることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非自然な自然性の下で、ローレンツ群の進化が、特にcharmクォークへのダークマターの有効結合にどのように影響するか？
• RQ2 微調整された電弱スケールを持つモデルにおいて、直接検出実験が、WIMPダークマターのスピンおよびゲージ量子数にどの程度制約を加えるか？
• RQ3 有効理論におけるHiggsポータルとグルーオンオペレーターの直接検出への相対的な感受性は何か？また、それらはフラバーおよび電弱精度制約とどのように比較されるか？
• RQ4 なぜCP偶性スカラーのcharmクォークへの結合が、1ループ推定値と比較して約20%増加しているのか？これはモデル構築にどのような意味を持つのか？
• RQ5 スカラー、実数、複素数のWIMPのうち、現在の直接検出データと自然性の議論から、どのタイプが最も強く支持されているか？

主な発見

• CP偶性スカラーのcharmクォークへの結合は、非自明なローレンツ群の進化の影響により、1ループ推定値と比較して約20%増加している。
• 核子スケールにおけるグルーオンへの有効結合fTG(N)は、(0.97 – 0.93∑fTq(N))に達しており、NLO補正は小さい。
• fTc(N)のNLO補正は10–20%のオーダーであり、主にγ(m−c)−γ(m+c)要因に支配されており、Lattice QCDの結果と整合的である。
• モデルに依存しない解析により、直接検出は非自然なモデルを強力に探査できることが示された。特に、電弱およびフラバー制約と組み合わせると顕著である。
• 非自然な領域において、歪んだ追加次元は、フラバー、ヒッグス質量、ダークマターの両方の理論的要請を満たす可能性を有する。WIMPミラクルは、非自然性の上限を設定する。
• 現在の直接検出データ（LUXおよびXENON100）から、スカラーまたは実数のWIMPが最も支持されており、複素数のWIMPはフラバー観測によってより強く制約されている。