[论文解读] Direct detection of dark matter with resonant annihilation

Bo Li, Yu-Feng Zhou|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 56被引用 5

一句话总结

本文提出了在共振湮灭情景下暗物质（DM）丰度的改进解析计算，表明在通过希格斯-规范口共振的s波暗物质湮灭中，自旋无关的DM-核子散射截面与共振宽度与质量之比（ΓR/mR）成正比。对于50 GeV的暗物质，只有当ΓR/mR ≳ O(10⁻⁴)时，截面才会超过中微子背景；相比之下，只要暗物质质量小于顶夸克质量，p波湮灭的截面始终高于背景。

ABSTRACT

In the scenario where the dark matter (DM) particles $χ\barχ$ pair annihilate through a resonance particle $R$, the constraint from DM relic density makes the corresponding cross section for DM-nuclei elastic scattering extremely small, and can be below the neutrino background induced by the coherent neutrino-nuclei scattering, which makes the DM particle beyond the reach of the conventional DM direct detection experiments. We present an improved analytical calculation of the DM relic density in the case of resonant DM annihilation for $s$- and $p$-wave cases and invesitgate the condition for the DM-nuclei scattering cross section to be above the neutrino background. We show that in Higgs-portal type models, for DM particles with $s$-wave annihilation, the spin-independent DM-nucleus scattering cross section is proportional to $Γ_{R}/m_{R}$, the ratio of the decay width and the mass of $R$. For a typical DM particle mass $\sim50$ GeV, the condition leads to $Γ_{R}/m_{R} \gtrsim \mathcal{O}(10^{-4})$. In $p$-wave annihilation case, the spin-independent scattering cross section is insensitive to $Γ_{R}/m_{R}$, and is always above the neutrino background, as long as the DM particle is lighter than the top quark. The real singlet DM model is discussed as a concrete example.

研究动机与目标

• 理解共振暗物质湮灭在何种条件下会导致DM-核子散射截面超过中微子背景。
• 推导通过s通道共振实现的s波和p波湮灭的暗物质丰度的解析表达式。
• 确定下一代直接探测实验探测共振附近真实单重态DM模型所需的灵敏度阈值。
• 在当前和未来实验约束下，评估希格斯-规范口DM模型在共振湮灭下的可探测性。

提出的方法

• 使用改进的暗物质冻结出过程的玻尔兹曼方程解析近似，结合共振附近的速度依赖截面。
• 采用Breit-Wigner形式表示湮灭截面σv_rel，以共振质量mR和宽度ΓR为参数。
• 推导s波和p波情形下丰度和DM-核子散射截面的解析表达式，重点关注ΓR/mR的依赖关系。
• 在真实单重态DM模型中进行数值验证，将解析预测与完整数值计算进行比较。
• 评估来自相干中微子-核子散射的中微子背景作为基本探测极限。
• 计算下一代直接探测实验为探测真实单重态模型完整参数空间所需达到的实验灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，共振DM湮灭会产生超过中微子背景的DM-核子散射截面？
• RQ2 在s波湮灭模型中，共振宽度与质量之比（ΓR/mR）如何影响自旋无关的DM-核子散射截面？
• RQ3 在p波湮灭模型中，自旋无关截面是否始终高于中微子背景，无论ΓR/mR为何值？
• RQ4 下一代直接探测实验在共振点附近探测真实单重态DM模型所需的灵敏度阈值是多少？
• RQ5 真实单重态DM模型是否能通过直接探测被完全检验，其最小可探测截面是多少？

主要发现

• 在希格斯-规范口模型的s波湮灭中，自旋无关的DM-核子散射截面与ΓR/mR成正比。
• 对于典型的DM质量约50 GeV，只有当ΓR/mR ≳ O(10⁻⁴)时，截面才会超过中微子背景。
• 在p波湮灭中，只要DM质量小于顶夸克质量，自旋无关截面始终高于中微子背景，无论ΓR/mR为何值。
• 真实单重态DM模型即使在共振附近，其散射截面也始终高于中微子背景。
• 为全面探测真实单重态DM模型，下一代直接探测实验必须达到约2.6×10⁻⁴⁹ cm²的灵敏度。
• 当前的LUX和XENON100实验并未排除共振附近的真实单重态DM模型，但未来实验必须达到更低的阈值才能全面检验该模型。