[论文解读] A Classification of Dark Matter Candidates with Primarily Spin-Dependent Interactions with Matter

Prateek Agrawal, Zackaria Chacko+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 54被引用 58

一句话总结

该论文通过可重整化、树图级别的理论对主要具有自旋依赖性相互作用的弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质候选者进行了无模型依赖的分类。研究发现，只有马约拉纳费米子和实矢量玻色子能自然地实现自旋依赖性主导，而标量、狄拉克费米子和复矢量玻色子暗物质则在未施加特定对称性的情况下不被青睐。该理论进一步要求存在弱尺度的SM荷粒子或一个TeV尺度的Z′规范玻色子。

ABSTRACT

We perform a model-independent classification of Weakly Interacting Massive Particle (WIMP) dark matter candidates that have the property that their scattering off nucleons is dominated by spin-dependent interactions. We study renormalizable theories where the scattering of dark matter is elastic and arises at tree-level. We show that if the WIMP-nucleon cross section is dominated by spin-dependent interactions the natural dark matter candidates are either Majorana fermions or real vector bosons, so that the dark matter particle is its own anti-particle. In such a scenario, scalar dark matter is disfavored. Dirac fermion and complex vector boson dark matter are also disfavored, except for very specific choices of quantum numbers. We further establish that any such theory must contain either new particles close to the weak scale with Standard Model quantum numbers, or alternatively, a $Z'$ gauge boson with mass at or below the TeV scale. In the region of parameter space that is of interest to current direct detection experiments, these particles naturally lie in a mass range that is kinematically accessible to the Large Hadron Collider (LHC).

研究动机与目标

• 确定在可重整化、树图级别理论中，能自然表现出与核子自旋依赖性相互作用的基本暗物质候选者类型。
• 确定在无需微调或特殊对称性的情况下，哪些暗物质粒子类型（标量、费米子、矢量）在自旋依赖性主导中不被青睐。
• 确立任何可行的自旋依赖性WIMP模型中必要的新物理内容——特别是弱尺度SM荷粒子或TeV尺度Z′的存在。
• 将理论约束与对撞机和直接探测现象学联系起来，特别是针对大型强子对撞机（LHC）。

提出的方法

• 在具有弹性、树图相互作用的可重整化量子场论中，对WIMP-核子散射进行无模型依赖的分类。
• 通过非相对论性约化技术分析控制WIMP-核子散射的有效算符，区分自旋无关与自旋依赖贡献。
• 在非相对论极限下评估马约拉纳费米子、狄拉克费米子、实与复矢量玻色子以及标量的矩阵元，以确定截面行为。
• 运用群论和对称性论证，评估自旋依赖性主导是否能在无需微调的情况下自然实现。
• 利用约化质量μ和核子自旋量子数JN，推导非相对论性散射截面的显式表达式，包括自旋依赖耦合带来的因子。
• 利用拉格朗日量形式和当前守恒性，确定矩阵元的结构及其对夸克自旋密度（Δq）和耦合常数（dq, bq等）的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些基本暗物质粒子类型——标量、狄拉克费米子、马约拉纳费米子、实或复矢量玻色子——能在不依赖特殊对称性的情况下自然产生自旋依赖性WIMP-核子散射？
• RQ2 可重整化理论在树图级别产生自旋依赖性WIMP-核子散射的最小新物理要求是什么（例如新粒子或规范玻色子）？
• RQ3 为何标量和狄拉克费米子暗物质候选者在自旋依赖性主导中不被青睐，且在何种条件下仍可能贡献？
• RQ4 由此产生的截面如何随核子自旋量子数JN变化，这对直接探测灵敏度有何含义？
• RQ5 此类自旋依赖性WIMP模型的对撞机信号特征是什么，特别是在大型强子对撞机（LHC）和TeV尺度物理探测能力的背景下？

主要发现

• 只有马约拉纳费米子和实矢量玻色子能在无需微调或额外对称性的情况下，自然地在树图级别实现自旋依赖性WIMP-核子散射。
• 标量暗物质不被青睐，因为其WIMP-核子散射在任何耦合结构下都是纯自旋无关的。
• 狄拉克费米子和复矢量玻色子在自旋依赖性主导中不被青睐，除非理论中包含一种离散对称性，以模仿SM场的电荷共轭不变性。
• 任何可行的自旋依赖性WIMP模型必须包含具有标准模型量子数的弱尺度新粒子，或一个质量≤TeV的Z′规范玻色子。
• 由于马约拉纳情况下不存在双线性流，马约拉纳费米子的自旋依赖性截面是狄拉克费米子的四倍。
• 通过轴矢量相互作用的矢量玻色子暗物质截面与JN(JN+1)成正比，其系数与夸克耦合常数之和及自旋密度成正比，并由核子自旋量子数增强。