[论文解读] Complementary probe of dark matter blind spots by lepton colliders and gravitational waves

Yan Wang, Chong Sheng Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2020

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 78被引用 15

一句话总结

本文提出一种互补策略，通过结合未来轻子对撞机信号与惰性双生模型（IDM）中一阶相变产生的引力波（GW）信号，探测直接探测和LHC搜索失效的暗物质盲区——参数空间中的区域。利用未来如CEPC和FCC-ee等轻子对撞机的蒙特卡洛模拟，表明这些对撞机可探测到小至λL ≲ 0.003的DM-Higgs耦合，而TianQin等GW探测器可探测相变信号，从而实现对原本不可见的暗物质候选者的发现。

ABSTRACT

We study how to unravel the dark matter blind spots by phase transition gravitational waves in synergy with collider signatures at electroweak one-loop level taking the inert doublet model as an example. We perform a detailed Monte Carlo study at the future lepton colliders in the favored parameter space, which is consistent with current dark matter experiments and collider constraints. Our studies demonstrate that the Circular Electron Positron Collider and other future lepton colliders have the potential to explore the dark matter blind spots.

研究动机与目标

• 解决探测暗物质（DM）盲区的挑战——即DM与标准模型粒子耦合过弱，导致直接探测或LHC搜索失效的区域。
• 探索未来轻子对撞机与引力波（GW）探测器之间的协同作用，以探测传统方法无法触及的DM参数空间。
• 证明在惰性双生模型（IDM）中，通过间接信号探测DM的可行性，尤其在m_DM ≈ 62.66 GeV的Higgs喷泉区域。
• 在单圈层次上模拟对撞机信号，评估未来对撞机对微小DM-Higgs耦合的敏感度。
• 验证IDM中强烈的首阶相变（SFOPT）可产生可探测的GW信号，从而实现多信使DM搜索。

提出的方法

• 以惰性双生模型（IDM）作为基准框架，采用标量暗物质候选者（H）和简并的带电/中性赝标量场（H±, A），以抑制T参数并满足电弱精确约束。
• 设定一个基准点，参数为m_h = 125 GeV，m_A = m_H± = 300 GeV，m_H = 62.66 GeV，λ_L = 0.0021，该点与XENON1T直接探测限制（σ_SI ≲ 4.1×10⁻⁴⁷ cm²）和Planck 2018年原初丰度（Ωh² = 0.11933）一致。
• 在未来的轻子对撞机（CEPC、FCC-ee、ILC）上进行e⁺e⁻ → hZ过程的单圈蒙特卡洛模拟，重点研究来自圈修正的Higgs-Z耦合修改。
• 使用micrOMEGAs精确计算原初丰度与直接探测截面，使用CosmoTransitions计算SFOPT动力学与GW谱生成。
• 通过声波机制建模相变GW信号，计算能量密度谱Ω_GW(f)及TianQin与LISA的信噪比。
• 结合对撞机与GW敏感度，评估在低-λ_L区域中互补发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来轻子对撞机能否探测到直接探测与LHC搜索失效的‘盲区’区域中的暗物质？
• RQ2 IDM中强烈的首阶相变产生的引力波，在低耦合区域中，能在多大程度上为暗物质提供互补证据？
• RQ3 对Higgs-Z耦合与三重Higgs耦合的圈修正如何影响未来轻子对撞机对微小DM-Higgs耦合的敏感度？
• RQ4 当同时考虑对撞机与GW信号时，Higgs喷泉区域（m_DM ≈ 62.66 GeV）中DM的可探测参数空间是什么？
• RQ5 CEPC/FCC-ee与TianQin/LISA的协同作用能否探测到λ_L < 0.003的DM，此时直接探测已失效？

主要发现

• 基准点λ_L = 0.0021满足所有约束：XENON1T直接探测（σ_SI ≲ 4.1×10⁻⁴⁷ cm²）、Planck 2018原初丰度（Ωh² = 0.11933）及电弱精确测试。
• 未来轻子对撞机如CEPC与FCC-ee可通过精确测量e⁺e⁻ → hZ及其衰变道，探测到小至λ_L ≲ 0.003的DM-Higgs耦合。
• 该基准点下的IDM触发强烈的首阶相变（SFOPT），产生可探测的引力波信号，峰值振幅Ω_GW(f_peak) ≈ 10⁻⁸–10⁻⁷，处于TianQin与LISA的探测能力范围内。
• 主要的DM湮灭通道为h → W⁺W⁻（虚线），贡献约52%的原初丰度，b¯b通道贡献约32%，与观测到的Ωh²一致。
• GW谱在f ≈ 1–10 mHz处达到峰值，TianQin在SFOPT情景下的信噪比 > 5，可实现未来探测。
• 对撞机与GW实验的协同作用为DM盲区提供了强大且互补的探测手段，覆盖了传统直接探测或仅对撞机探测无法触及的参数空间。