[论文解读] Clockwork Dark Matter

Daniele Teresi|arXiv (Cornell University)|May 26, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文提出一种钟控机制，用于生成寿命长但不稳定的暗物质（DM）粒子，其与电弱或TeV尺度态的耦合为O(1)，从而在早期宇宙中实现热退耦产生，同时通过指数抑制抑制DM衰变。关键结果是获得一个可测试的WIMP型DM候选者，其在对撞机和轻子味破坏实验中具有可观测信号，该机制可通过平坦额外维的退化实现。

ABSTRACT

I give a pedagogical discussion of thermal dark matter (DM) within the clockwork mechanism. The clockwork mechanism, which is a natural way to generate small numbers starting from order-one couplings, allows to have a long-lived, but unstable, DM particle that nevertheless has O(1) couplings with electroweak- or TeV-scale states. Remarkably, DM decays on time scales much longer than the age of the Universe and has at the same time sizeable couplings with light states, which therefore allow to produce it thermally within the WIMP paradigm. These new particles with large couplings can be searched for at current or future colliders. I also briefly comment on how this setup can minimally emerge from the deconstruction of an extra dimension in flat spacetime.

研究动机与目标

• 为解决热DM产生与长寿命DM之间的矛盾，通过实现O(1)耦合而不导致快速衰变。
• 提供一种自然机制，利用钟控机制从O(1)耦合中生成极小的DM衰变速率。
• 表明该钟控设置可从平坦5D时空的退化中自然涌现，避免使用弯曲度规。
• 通过TeV尺度的新物理态将DM重子密度与衰变现象学联系起来。
• 识别未来实验可探测的对撞机和轻子味破坏过程中的可观测信号。

提出的方法

• 利用钟控机制，通过N个场的O(1)相互作用链，抑制DM对SM粒子的耦合，得到有效耦合∼1/q^N。
• 使用在平坦额外维上具有质量M和边界条件的5D体费米子实现该机制，离散化为N个点。
• 推导出4D有效拉格朗日量，展示钟控结构的出现及其质量分裂m和耦合qm。
• 证明在连续极限（N→∞）下，抑制因子q^N → e^{πRM}，产生有限且可计算的层级。
• 识别最轻的质量本征态为DM候选者，其对SM的耦合因指数抑制而被压制。
• 通过相同的TeV尺度钟控态将DM湮灭（决定重子密度）与衰变（提供间接探测信号）联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以实现一种类似WIMP的暗物质候选者，其寿命长但对SM态具有O(1)耦合，从而实现热退耦并可在对撞机中探测？
• RQ2 钟控机制如何在不依赖超普朗克尺度或大统一理论尺度媒介子的情况下，从O(1)耦合中生成极小的DM衰变速率？
• RQ3 DM的钟控设置是否可从平坦5D时空的退化中产生，而非来自弯曲时空？
• RQ4 介导DM湮灭与衰变的钟控态在对撞机和轻子味破坏过程中的可观测信号是什么？
• RQ5 钟控抑制如何影响DM的重子密度与间接探测约束？

主要发现

• 钟控机制使具有O(1)耦合至TeV尺度态的长寿命DM粒子成为可能，从而实现热退耦并产生正确的重子密度。
• DM衰变被抑制因子∼1/q^N，其中N ∼ log X，即使在O(1)耦合下，寿命τ ≳ 10^26 s亦可实现。
• 相同的TeV尺度钟控态同时介导DM湮灭（决定重子密度）与衰变（提供间接探测信号），形成独特的现象学关联。
• 在LHC上，轻子数守恒过程可探测至m_ψ ≈ 200 GeV（300 fb⁻¹数据），轻子数破坏过程可探测至m_ψ ≈ 300 GeV。
• 该模型预测可观测的轻子味破坏信号，未来实验有望将灵敏度提高数个数量级。
• 该钟控设置可从具有大质量体费米子和边界项的平坦5D时空退化中导出，提供一致且最小的紫外完成。