[论文解读] Conversion-driven freeze-out: Dark matter genesis beyond the WIMP paradigm

Mathias Garny, Jan Heisig+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 14被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新颖的暗物质（DM）冻结析出机制——转换驱动的冻结析出，其中暗物质遗迹丰度并非由自湮灭决定，而是由暗区内的转换过程决定，该机制依赖于极弱的DM-SM耦合。该机制允许DM质量高达数TeV，且耦合常数低至10⁻⁷，使其可通过具有宏观衰变长度的长寿命媒介子在对撞机中被探测。

ABSTRACT

We consider dark matter (DM) with very weak couplings to the standard model (SM), such that its self-annihilation cross section is much smaller than the canonical one, $\langleσv angle_{χχ} \ll 10^{-26}\mathrm{cm}^3/\mathrm{s}$. In this case DM self-annihilation is negligible for the dynamics of freeze-out and DM dilution is solely driven by efficient annihilation of heavier accompanying dark sector particles provided that DM maintains chemical equilibrium with the dark sector. This chemical equilibrium is established by conversion processes which require much smaller couplings to be efficient than annihilation. The chemical decoupling of DM from the SM can either be initiated by the freeze-out of annihilation, resembling a co-annihilation scenario, or of conversion processes, leading to the scenario of conversion-driven freeze-out. We focus on the latter and discuss its distinct phenomenology.

研究动机与目标

• 探索超越标准WIMP范式的其他热暗物质冻结析出机制。
• 研究DM自湮灭可忽略不计，但遗迹丰度由暗区转换过程决定的场景。
• 识别弱耦合DM的可行参数空间，其媒介子具有宏观衰变长度。
• 通过长寿命粒子探测，将宇宙学遗迹密度约束与对撞机现象学联系起来。
• 证明转换驱动的冻结析出可规避间接探测限制，同时仍可在LHC上被检验。

提出的方法

• 提出一种t通道媒介子模型，包含标量夸克伙伴（顶或底）和Majorana费米子DM。
• 求解DM与暗区粒子丰度的耦合玻尔兹曼方程，追踪化学平衡与解耦过程。
• 使用热平均截面计算转换与湮灭过程，要求在冻结析出时Γcon/H ∼1。
• 应用化学解耦由转换而非湮灭引发的条件，即TCD,con ≳ TCD,ann。
• 利用哈勃率与温度参数xdec推导媒介子的衰变长度，估算cτ ∼ 10 cm (mmed/1 TeV)⁻² (xdec/25)²。
• 评估LHC对长寿命粒子探测的约束，包括位移轨迹与R-强子信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在早期宇宙中，暗物质遗迹丰度是否可由转换过程而非自湮灭决定？
• RQ2 在转换驱动冻结析出的暗区中，其宇宙学与对撞机信号特征为何？
• RQ3 DM-SM耦合常数小到何种程度仍可实现通过转换的可行冻结析出？
• RQ4 此类模型中媒介子的预期衰变长度是多少，其对LHC探测有何影响？
• RQ5 该机制是否可规避间接探测约束，同时仍可在对撞机中被探测到？

主要发现

• 转换驱动的冻结析出可在⟨σv⟩χχ ≪ 10⁻²⁶ cm³/s条件下实现可行的DM遗迹密度，从而规避间接探测限制。
• 该机制在DM-SM耦合常数低至∼10⁻⁷时仍可运行，远低于直接与间接探测的探测能力范围。
• 媒介子的衰变长度范围从毫米到米不等，取决于质量与xdec，从而在LHC中产生长寿命粒子信号。
• 对于顶味模型，媒介子在追踪器内衰变（cτ ∼ mm–cm），产生位移的b夸克喷射或弯曲轨迹。
• 对于底味模型，媒介子通常在探测器中稳定，导致长寿命带电R-强子的产生。
• LHC对长寿命粒子的搜索可探测剩余的可行参数空间，尤其适用于13–14 TeV下300 fb⁻¹数据中顶味模型。