[论文解读] Global fits of simplified models for dark matter with GAMBIT I. Scalar and fermionic models with s-channel vector mediators

Christopher J. Chang, Pat Scott+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文使用GAMBIT框架对简化暗物质模型进行全局贝叶斯拟合，重点关注通过s通道矢量介子与夸克相互作用的标量和费米子暗物质候选者。研究发现，所有模型中均存在大范围的参数空间区域得以存活，共振区域（其中DM质量 ≈ 介子质量的一半）因LHC单喷胶衰变过剩和宇宙遗迹密度约束而被偏好，尤其适用于狄拉克和马约拉纳费米子暗物质。

ABSTRACT

Simplified models provide a useful way to study the impacts of a small number of new particles on experimental observables and the interplay of those observables, without the need to construct an underlying theory. In this study, we perform global fits of simplified dark matter models with GAMBIT using an up-to-date set of likelihoods for indirect detection, direct detection and collider searches. We investigate models in which a scalar or fermionic dark matter candidate couples to quarks via an s-channel vector mediator. Large parts of parameter space survive for each model. In the case of Dirac or Majorana fermion dark matter, excesses in LHC monojet searches and relic density limits tend to prefer the resonance region, where the dark matter has approximately half the mass of the mediator. A combination of vector and axial-vector couplings to the Dirac candidate also leads to competing constraints from direct detection and unitarity violation.

研究动机与目标

• 使用GAMBIT软件框架对简化暗物质模型进行全面的全局拟合。
• 评估标量和费米子暗物质候选者通过s通道矢量介子与夸克耦合，在当前实验约束下的可行性。
• 在施加直接探测、间接探测、对撞机搜索和遗迹丰度测量约束后，识别存活的参数空间区域。
• 预测未来实验（如CTA和DARWIN）对剩余可行参数空间的敏感度。
• 探讨LHC单喷胶衰变过剩对模型可行性的影响，以及幺正性约束在塑造允许参数空间中的作用。

提出的方法

• 利用GAMBIT（全球超越粒子物理、模型构建与贝叶斯推断工具）框架，对简化暗物质模型进行完整的贝叶斯全局拟合。
• 应用来自直接探测（例如XENON1T、LUX）、间接探测（例如Fermi-LAT、HAWC）和对撞机搜索（单喷胶和二喷胶末态）的全面似然函数，适用于LHC运行2期。
• 通过micrOMEGAs模块纳入遗迹丰度约束，以计算暗物质遗迹密度并与Planck 2018测量结果进行比较。
• 使用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）采样方法探索每个模型的完整参数空间，包括耦合常数和质量参数。
• 使用多余参数似然函数来考虑实验数据中的系统不确定性。
• 通过CTA和DARWIN模拟预测未来敏感度，以评估未来实验的探测能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有s通道矢量介子的标量和费米子暗物质的参数空间中，哪些区域能通过当前实验约束？
• RQ2 LHC单喷胶衰变过剩如何影响狄拉克和马约拉纳费米子暗物质模型的首选参数空间？
• RQ3 遗迹密度约束和直接探测限制在多大程度上相互竞争，从而塑造可行参数空间？
• RQ4 未来实验如CTA和DARWIN将如何约束剩余的可行参数空间区域？
• RQ5 幺正性破坏对这些简化模型中允许耦合强度的影响是什么？

主要发现

• 对于标量暗物质，大范围的参数空间得以存活，尤其在高DM质量与低介子质量区域，前提是该模型未能完全解释遗迹丰度。
• 狄拉克费米子暗物质模型显示出对共振产生（m_DM ≈ 0.5 × m_Mediator）的偏好，首选质量分别为约260 GeV（DM）和540 GeV（介子），这由LHC单喷胶衰变过剩驱动。
• 当要求模型饱和观测到的遗迹丰度时，首选区域转向更高质量：m_DM ≈ 580 GeV，m_Mediator ≈ 1.3 TeV。
• 若假设LHC单喷胶衰变过剩为背景涨落，则参数空间显著扩大，非共振区域也能存活。
• 马约拉纳费米子暗物质模型同样能拟合单喷胶衰变过剩，同时满足遗迹密度约束，且对共振区域有偏好。
• 未来实验如CTA对狄拉克费米子模型最为敏感，而DARWIN预计能约束所有模型中数十至百余个信号事例，尤其对标量和狄拉克DM的高介子质量区域具有显著限制作用。