[论文解读] SuperWIMP meets Freeze-in

Mathias Garny, Jan Heisig|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文研究了一个统一框架，其中暗物质通过冻结产生（freeze-in）和超WIMP（superWIMP）机制在Z₂奇偶性规范的扇区中产生，且媒介子在早期宇宙中达到热平衡，展示了这两种机制的相互作用及其宇宙学约束。对于一种带有色八重态t通道媒介子的模型，该研究利用LHC、原初核合成和莱曼-α森林数据，全面映射了参数空间，突出了在高亮度（HL-）和高能量（HE-）LHC上的发现前景。

ABSTRACT

Non-thermalized dark matter is a cosmologically valid alternative to the paradigm of weakly interacting massive particles. For dark matter belonging to a $Z_2$-odd sector that contains in addition a thermalized mediator particle, dark matter production proceeds in general via both the freeze-in and superWIMP mechanism. We highlight their interplay and emphasize the connection to long-lived particles at colliders. For the explicit example of a colored t-channel mediator model we map out the entire accessible parameter space, cornered by bounds from the LHC, big bang nucleosynthesis and Lyman-alpha forest observations, respectively. We discuss prospects for the HL- and HE-LHC.

研究动机与目标

• 探讨冻结产生与超WIMP机制在生成非热化暗物质过程中的相互作用。
• 识别具有色八重态t通道媒介子的Z₂奇偶性暗物质扇区中宇宙学上可行的参数空间。
• 利用来自LHC、原初核合成和莱曼-α森林的观测约束来限制该模型。
• 评估未来高亮度（HL-）和高能量（HE-）LHC运行中长寿命粒子和暗物质的发现潜力。

提出的方法

• 分析一个包含暗物质粒子和色八重态媒介子的Z₂奇偶性暗物质扇区，该媒介子在早期宇宙中达到热平衡。
• 计算通过冻结产生（来自媒介子衰变）和超WIMP（来自媒介子级联衰变）机制生成的暗物质。
• 应用玻尔兹曼方程来模拟媒介子和暗物质粒子数密度的演化。
• 施加来自LHC对长寿命粒子和奇异衰变的搜索约束。
• 应用来自原初核合成对晚期衰变粒子的限制，以及来自莱曼-α森林对长寿命媒介子的限制。
• 通过数值扫描映射全部参数空间，并与预期的HL-和HE-LHC灵敏度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 冻结产生与超WIMP机制如何共存并影响Z₂奇偶性扇区中的暗物质生成？
• RQ2 带有非热化暗物质的色八重态t通道媒介子模型，在宇宙学和对撞机实验中受到哪些约束？
• RQ3 LHC、原初核合成和莱曼-α森林数据如何共同塑造可行的参数空间？
• RQ4 在HL-和HE-LHC上，发现长寿命媒介子和暗物质的潜力如何？

主要发现

• 冻结产生与超WIMP机制的相互作用产生了一种丰富且非热化的暗物质生成机制，具有宇宙学可行性。
• 该模型的参数空间受到LHC对长寿命粒子的搜索、原初核合成以及莱曼-α森林观测的约束。
• 相当大一部分参数空间尚未被排除，且对未来的HL-和HE-LHC实验具有可探测性。
• 色八重态媒介子可能具有长寿命，并可在对撞机实验中被探测到，为发现提供关键信号。
• 来自原初核合成和莱曼-α森林的宇宙学约束强烈限制了晚期衰变的媒介子。
• 该模型在HL-和HE-LHC上预测可观测的信号，特别是在位移顶点和单喷注搜索中。