[论文解读] Relic density of dark matter in the inert doublet model beyond leading order for the low mass region: 2. Co-annihilation

Shankha Banerjee, F. Boudjema+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 48被引用 2

一句话总结

本论文计算了低质量暗物质在惰性双生模型（IDM）中，对共湮灭过程的单圈电弱修正，重点关注 AX → f̄f 和 XX → WW⋆ 过程。结果表明，修正可由基于 Z 玻色子观测的等效截面良好近似，由于主导的 AX → f̄f 通道，对遗迹密度的影响极小（≤3%）；而次主导的 WW⋆ 通道则揭示了通过 λ₂ 反映的暗物质 sector 自相互作用的敏感性。

ABSTRACT

We examine the relic density of the light mass dark matter region in the inert doublet model (IDM) when the dominant process is due to co-annihilation between the lightest neutral scalars of the model. The full one-loop electroweak corrections are computed in an on-shell scheme and are found to be well approximated as an effective cross-section expressed in terms of $Z$-observables. The electroweak corrections to the subdominant process which consists of an annihilation into an on-shell $W$ and an off-shell $W$, that is calculated as a annihilation into a 3-body final state, is also performed. The latter reveals an important dependence on a parameter that describes the self-interaction of the new scalars (solely within the dark sector), a parameter which is not accessible in tree-level calculations of standard model (SM)-IDM interactions.

研究动机与目标

• 计算低质量暗物质在惰性双生模型（IDM）中主导共湮灭过程 AX → f̄f 的单圈电弱修正。
• 评估单圈修正对遗迹密度的影响，特别是在质量分裂较小的共湮灭区域。
• 研究次主导的 XX → WW⋆ 通道中暗物质 sector 自耦合参数 λ₂ 的作用，该过程在树图层次下不可见。
• 评估完整单圈计算是否产生比常用 α(MZ²) 近似更小的修正。

提出的方法

• 在壳方案下计算 AX → f̄f 过程的单圈电弱修正，推导出振幅的完整解析表达式。
• 通过 Z 玻色子部分宽度 ΓZ→f̄f 将修正重新表达为等效截面，实现模型无关的参数化。
• 对于次主导的 XX → WW⋆ 过程，以单圈精度处理 2→3末态，包含非稳定 W 玻色子和虚修正。
• 通过微MEGAs 求解玻尔兹曼方程，结合单圈截面和基于 Z 的等效参数化计算遗迹密度。
• 使用基准点 P58（MX = 58 GeV，m− = 8 GeV）和 P60（MX = 60 GeV，m− = 8 GeV）对修正进行数值验证。
• 分离并量化 λ₂ 对 WW⋆ 通道的影响，揭示了树图层次下不可见的暗物质 sector 动力学敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当共湮灭主导低质量暗物质的遗迹密度时，单圈电弱修正如何影响 IDM 中的遗迹密度？
• RQ2 能否使用 Z 观测量如 ΓZ→f̄f，有效参数化 AX → f̄f 的完整单圈修正？
• RQ3 暗物质 sector 自耦合参数 λ₂ 在次主导的 XX → WW⋆ 通道中起什么作用，它如何影响遗迹密度？
• RQ4 完整单圈修正在大小上与常用 α(MZ²) 近似相比如何，后者常用于遗迹密度计算？

主要发现

• 主导的 AX → f̄f 共湮灭过程的单圈修正，可由基于 Z 玻色子部分宽度的等效截面良好近似，偏差低于 1%。
• 对于基准点 P58 和 P60，AX → f̄f 引起的遗迹密度修正均小于 5%，其中最大修正（−4.45%）出现在等效截面方法中。
• 尽管仅贡献约 5–10% 的遗迹密度，次主导的 WW⋆ 通道对暗物质 sector 自耦合参数 λ₂ 表现出显著依赖性，该依赖性在树图层次下不可见。
• 当 λ₂ = 2 时，WW⋆ 通道的修正部分抵消了 AX → f̄f 通道的修正，使整体遗迹密度修正降至 3% 以下。
• 完整单圈计算产生的修正小于 α(MZ²) 近似，后者在遗迹密度中引入了 10–11% 的偏移。
• 基于 Z 观测量的等效截面方法在 1% 内重现了完整单圈结果，验证了其在高效遗迹密度扫描中的适用性。