[论文解读] Direct Detection Constraints on Dark Matter Event Rates in Neutrino Telescopes, and Collider Implications

Prateek Agrawal, Zackaria Chacko+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 70被引用 5

一句话总结

本文利用直接探测实验的约束，建立了中微子望远镜中暗物质事例率的模型无关上限。结果表明，若观测到的事例率超过自旋无关相互作用的上限，则暗物质必须通过自旋依赖耦合相互作用——这意味着马约拉纳费米子或实矢量玻色子是自然的候选者，且存在质量在弱尺度的新型色荷粒子或$Z'$样粒子，这些粒子可被LHC探测到。

ABSTRACT

Neutrino telescopes are looking to detect neutrinos produced by the annihilation of weakly interacting massive particle (WIMP) dark matter in the sun. The event rate depends on the dark matter density in the sun, which in turn is dictated by the cross section of WIMPs with nucleons. This however is bounded by direct detection experiments. We use the constraints from these experiments to place model-independent upper bounds on the event rates in neutrino telescopes that apply to any elastic dark matter model. Since the spin-independent WIMP-nucleon cross section is much more tightly constrained than the corresponding spin-dependent cross section, the bounds are much stronger in the former case and are competitive with the current limits from IceCube. If the number of events observed in neutrino telescopes exceeds the upper bound corresponding to spin-independent interactions, the implication is that the cross section of dark matter with nucleons is dominated by spin-dependent interactions. In such a scenario the natural dark matter candidates are Majorana fermions and real vector bosons, so that dark matter particles are their own anti-particles. We show that any such theory that leads to observable event rates at current generation neutrino telescopes will in general contain new particles charged under the Standard Model gauge groups that naturally lie in a mass range that is kinematically accessible to the Large Hadron Collider (LHC).

研究动机与目标

• 利用直接探测实验的约束，推导中微子望远镜中暗物质事例率的模型无关上限。
• 确定若观测到的事例率超过自旋无关相互作用的上限，对暗物质候选者的含义。
• 识别在自旋依赖WIMP-核子散射理论中可能被LHC探测到的新粒子类型。
• 将这些上限与当前IceCube限制进行比较，并评估未来灵敏度。

提出的方法

• 利用直接探测实验中获得的自旋无关和自旋依赖WIMP-核子截面限制，推导中微子望远镜事例率的上限。
• 利用WIMP-核子散射截面与太阳中暗物质密度之间的关系，约束湮灭率。
• 将该约束应用于弹性暗物质模型，通过暗物质质量和湮灭分支比参数化结果。
• 分析通过与夸克耦合的矢量或费米子媒介子实现自旋依赖散射的有效场论。
• 利用运动学和味对称性约束，构建产生自旋依赖散射的色荷媒介子（如矢量样夸克）的质量上限。
• 通过评估其质量范围和耦合强度在实验约束下的表现，评估这些媒介子在LHC上的可探测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于当前直接探测限制，中微子望远镜中暗物质事例率的最强模型无关上限是什么？
• RQ2 这些上限与不同湮灭末态下现有的IceCube限制相比如何？
• RQ3 若观测到的事例率超过自旋无关上限，这表明WIMP-核子相互作用的性质如何？
• RQ4 哪些类型的暗物质粒子自然与自旋依赖相互作用相关联？其量子数特性是什么？
• RQ5 在自旋依赖WIMP-核子散射理论中，预测了哪些新粒子？它们是否处于LHC的运动学探测范围内？

主要发现

• 对于自旋无关WIMP-核子相互作用，中微子望远镜的事例率上限约为每年每平方公里1,000起（直接中微子末态），其他SM末态约为数百起。
• 这些自旋无关上限目前与IceCube的现有限制具有可比性，若直接探测灵敏度提高两个数量级，上限将降至每年仅几起。
• 自旋依赖上限目前约为每年每平方公里300,000起，仍显著弱于IceCube当前的限制。
• 若观测到的事例率超过自旋无关上限，则WIMP-核子散射必须由自旋依赖相互作用主导，这倾向于支持马约拉纳费米子或实矢量玻色子作为暗物质候选者。
• 自旋依赖相互作用理论预测存在质量在TeV量级的新型色荷费米子或$Z'$规范玻色子，使其可被LHC探测到。
• 对于IceCube中可观测的信号，色荷媒介子（如矢量样夸克）的质量被限制在TeV量级或以下，处于LHC的运动学探测范围内。