[论文解读] SIMP dark matter with gauged $Z_3$ symmetry

Soo-Min Choi, Hyun Min Lee|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 25被引用 8

一句话总结

本文提出了一种由规范性 $Z_3$ 对称性稳定下来的复标量暗物质候选者，该对称性源于一个暗 $U(1)_V$ 规范群的自发对称性自发破缺。该模型通过一个轻的 $Z'$ 规范玻色子实现了三体到二体的湮灭过程以及自相互作用，该玻色子维持了动能平衡，使暗物质能够达到正确的剩余丰度，同时满足微扰性和幺正性。该模型成功解释了阿贝尔3827星系团中观测到的星系晕分离现象，并与直接/间接探测以及希格斯信号的约束一致。

ABSTRACT

We consider a complex scalar field as SIMP dark matter in models with gauged $Z_3$ discrete symmetry appearing as a remnant of dark local $U(1)$. Dark matter (DM) annihilates dominantly by the 3-to-2 scattering, due to the DM cubic coupling in combination with the DM quartic coupling or the $Z'$ gauge and dark Higgs couplings. We show that a light $Z'$ gauge boson makes DM in kinetic equilibrium with thermal plasma at freeze-out and it affects the DM relic density and perturbativity/unitarity constraints for DM self-interactions. We show that the large DM self-interactions are consistent with solving small-scale structure problems and explaining the DM halo separation recently observed in Abell 3827 cluster. Various bounds on the model from the SIMP conditions, DM self-interactions, $Z'$ searches, DM direct/indirect detection experiments, and Higgs signals, are also discussed.

研究动机与目标

• 提出一个可行的SIMP暗物质模型，其中复标量暗物质在规范性 $U(1)_V$ 下带电荷+1，该规范群破缺为 $Z_3$，从而确保暗物质的稳定性。
• 研究一个轻的 $Z'$ 规范玻色子如何介导暗物质与标准模型之间的相互作用，并实现三体到二体的湮灭过程。
• 评估大尺度暗物质自相互作用与小尺度结构问题之间的相容性，以及与阿贝尔3827中观测到的星系晕分离现象的一致性。
• 利用直接探测、间接探测、$Z'$ 搜索、希格斯信号以及剩余丰度要求等约束条件来限制该模型。
• 探索对撞机中 $Z'$ 探测与宇宙学SIMP条件之间的互补性，以实现热暗物质。

提出的方法

• 引入一个带 $U(1)_V$ 电荷+1的复标量暗物质场 $\chi$，以及一个带电荷+3的第二个复标量场 $\phi$，其真空期望值（VEV）将 $U(1)_V$ 群破缺为 $Z_3$，从而稳定 $\chi$。
• 实现暗光子 $V_\mu$ 与标准模型超荷规范玻色子 $B_\mu$ 之间的规范动能混合，使 $\chi$ 能够通过 $Z'$ 介导的过程与标准模型费米子耦合。
• 利用 $Z'$ 规范玻色子介导三体到二体的自湮灭和自散射过程，这些过程对于实现正确的剩余丰度和大自相互作用至关重要。
• 使用相对论性相空间公式计算三体到二体湮灭、二体到二体湮灭以及自散射的截面，矩阵元由拉格朗日量相互作用推导得出。
• 通过标准模型希格斯与暗希格斯之间的混合引入希格斯门户和 $Z'$ 门户相互作用，并对质量矩阵进行对角化以推导有效耦合。
• 应用直接探测（电子反冲）、间接探测、$Z'$ 门户搜索、希格斯信号强度以及子弹星系团和阿贝尔3827星系晕分离数据的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个由规范性 $Z_3$ 对称性稳定的复标量暗物质候选者是否可以通过三体到二体湮灭过程实现正确的剩余丰度？
• RQ2 一个轻的 $Z'$ 规范玻色子在多大程度上介导了暗物质与标准模型之间的相互作用，并在冻结出过程中维持了动能平衡？
• RQ3 为解决小尺度结构问题而要求的大的自相互作用截面在此模型中是否与微扰性和幺正性相容？
• RQ4 该模型能否在满足直接和间接探测约束的前提下，解释阿贝尔3827星系团中观测到的暗物质星系晕分离现象？
• RQ5 对撞机中 $Z'$ 玻色子的约束、希格斯信号偏差以及暗物质直接探测限制如何约束该模型的可行参数空间？

主要发现

• 该 $Z'$ 规范玻色子在冻结出过程中在暗物质与热等离子体之间维持了关键的动能平衡，使SIMP机制能够产生正确的剩余丰度。
• 三体到二体湮灭截面通过 $Z'$ 和暗希格斯耦合得到增强，使该模型在不违反微扰性的情况下满足大自相互作用的SIMP条件。
• 该模型能够容纳阿贝尔3827中观测到的暗物质星系晕分离，其单位质量的自相互作用截面约为 $\sigma/m \sim 1.5 \, \text{cm}^2/\text{g}$，与观测估计一致。
• $Z'$ 介导的相互作用为阿贝尔3827中观测到的自相互作用信号提供了合理的解释，同时与子弹星系团和星系晕形状数据的约束保持一致。
• 由于 $Z'$-门户耦合在暗物质电荷上为非对角，直接探测中的电子反冲被抑制，导致电子反冲截面低于当前实验限制。
• 当 $Z'$ 质量处于几GeV量级且动能混合较小时，该模型与希格斯信号强度和 $Z'$-门户约束保持一致。