[论文解读] Dark Matter phenomenology : from simplified WIMP models to refined alternative solutions

Mathias Pierre|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 248被引用 4

一句话总结

本论文对标准模型之外的暗物质（DM）进行了全面的唯象学研究，超越了简化的WIMP模型，探讨了费米子型、标量型和矢量型DM候选者通过有效算符与标准模型的耦合。通过求解玻尔兹曼方程推导出热余晖丰度预测，并计算了早期宇宙中DM的产生率，结果表明非WIMP型DM情景可以在满足直接探测和对撞机约束的前提下重现观测到的余晖密度。

ABSTRACT

One of the most puzzling problems of modern physics is the identification of the nature a non-relativistic matter component present in the universe, contributing to more than 25$\%$ of the total energy budget, known as Dark Matter. Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) are among the best motivated dark matter candidates. However, in light of non conclusive detection signals and strong constraints from collider, direct and indirect detection experiments, this thesis presents constraints on several realizations of the WIMP paradigm in the context of simplified dark matter models. More elaborated models considering extended gauge structures are discussed further on, such as constructions involving generalized Chern-Simons couplings and a specific WIMP scenario motivated by recently observed flavour anomalies related to the $R_{K^{(*)}}$ observable. The second part of this thesis is devoted to the discussion of an alternative dark matter thermal production mechanism where an explicit realization of the Strongly Interacting Massive Particles (SIMPs) paradigm is discussed in the context of a non-Abelian hidden gauge structure. In a last part, the possibility of producing non-thermally a dark matter component via the "freeze-in" mechanism was investigated and the strong impact of the post-inflationary reaheating stage of the universe on such constructions illustrated by the specific case where dark matter density production is mediated by a heavy spin-2 field in addition to the standard graviton.

研究动机与目标

• 将简化的WIMP模型的唯象学框架扩展至包含费米子型、标量型和矢量型DM等非最小DM候选者。
• 研究高维算符的有效场论（EFT）描述如何调和热余晖丰度与直接探测及对撞机约束之间的关系。
• 利用相对论性玻尔兹曼方程和布雷特-惠勒传播子，计算早期宇宙中DM的产生率。
• 评估超越标准WIMP范式的替代DM模型的可行性，特别是在当前实验限制下的表现。
• 通过解析与数值方法，系统比较不同自旋和媒介子类型下的DM产生截面。

提出的方法

• 通过维度为6的算符构建DM与标准模型场耦合的有效拉格朗日量，包含耦合常数 $ g_{\rm DM} $、$ g_{\rm SM} $ 和截断尺度 $ \Lambda $。
• 推导由自旋-0、自旋-1/2或自旋-1粒子 $ \tilde{h} $ 介导的s通道过程中的DM对产生矩阵元 $ |\mathcal{M}|^2 $，包含传播子极点与宽度 $ \Gamma_{\tilde{h}} $。
• 应用相对论性玻尔兹曼方程计算DM的热余晖密度，包含相空间积分与衰变速率。
• 利用相空间平均与对Mandelstam变量 $ s $、$ t $、$ u $ 的积分，评估早期宇宙中的产生率 $ R $，结果以 $ T $、$ M_P $ 和 $ \Lambda $ 表示。
• 使用修正的贝塞尔函数 $ K_1 $ 描述 $ m_{\tilde{h}} \sim T $ 的情形，捕捉热截面中的共振行为。
• 对不同DM自旋（0、1/2、1）的耦合系数 $ \alpha $、$ \beta_1 $、$ \beta_2 $、$ \beta_3 $ 进行数值计算，结果列于表C.1中。

实验结果

研究问题

• RQ1 非WIMP型DM候选者（费米子型、标量型、矢量型）的热余晖丰度与观测到的宇宙DM密度相比如何？
• RQ2 当由自旋-0、自旋-1/2或自旋-1的重粒子介导时，早期宇宙中DM的主要产生机制是什么？
• RQ3 使用维度为6的算符的有效场论描述如何影响余晖密度与直接探测约束？
• RQ4 通过 $ \Gamma_{\tilde{h}} $ 表征的共振媒介子效应如何影响温度接近媒介子质量时的DM产生率？
• RQ5 在 $ m_{\tilde{h}} \gg T $ 或 $ m_{\tilde{h}} \ll T $ 条件下，能否使替代DM模型重现正确的余晖丰度，同时避开实验限制？

主要发现

• 通过 $ h_{\mu\nu} $ 交换产生的自旋-0 DM的热产生率与 $ R^{0}_{h_{\mu\nu}} \propto T^8 / M_P^4 $ 成正比，比例系数为 $ \frac{11351\pi^3}{331776000} $。
• 对于具有共振媒介子 $ \tilde{h} $ 的费米子型DM，在 $ m_{\tilde{h}} \ll T $ 极限下，其产生率满足 $ R^{1/2}_{\tilde{h}_{\mu\nu}} \propto \frac{g_{\rm DM}^2 g_{\rm SM}^2 T^8}{\Lambda^4} $，比例系数为 $ \frac{11351\pi^3}{20736000} $。
• 在 $ m_{\tilde{h}} \sim T $ 区域，费米子型DM的产生率包含一个 $ K_1(m_{\tilde{h}}/T) $ 的抑制项，比例系数为 $ \frac{209}{30720\pi^4} $，反映了共振增强效应。
• 当 $ m_{\tilde{h}} \gg T $ 时，费米子型DM的产生率按 $ T^{12}/(\Lambda^4 m_{\tilde{h}}^4) $ 缩放，比例系数为 $ \frac{205511\pi^7}{9525600} $，表明存在强烈抑制。
• 通过 $ \tilde{h}_{\mu\nu} $ 介导的矢量型DM产生率在 $ m_{\tilde{h}} \ll T $ 极限下满足 $ R^{1}_{\tilde{h}_{\mu\nu}} \propto T^8 / \Lambda^4 $，比例系数为 $ \frac{147563\pi^3}{124416000} $。
• 表C.1中列出的耦合系数 $ \alpha $、$ \beta_1 $、$ \beta_2 $、$ \beta_3 $ 经过数值计算：对于自旋-1 DM，$ \alpha = 2.3 \times 10^{-3} $，$ \beta_1 = 3.7 \times 10^{-2} $，$ \beta_2 = 1.5 \times 10^{-4} $，$ \beta_3 = 141 $。