[论文解读] The ZZ' kinetic mixing in the light of the recent direct and indirect dark matter searches

Yann Mambrini|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Apr 25, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 95被引用 50

一句话总结

本文研究了在具有暗物质候选者（$\psi_0$）的模型中，暗态 $U'(1)$ 规范玻色子（$Z_D$）与标准模型超荷 $U(1)_Y$ 之间的动力学混合。结果表明，将直接和间接暗物质探测约束、宇宙学及精密测量相结合，会严重限制可行的参数空间，仅在 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 共振线附近留下一个狭窄区域，其中 $\delta \sim 10^{-3}$，该区域与 WMAP 和 XENON100 限制一致。

ABSTRACT

Several constructions, of stringy origins or not, generate abelian gauge extensions of the Standard Model (SM). Even if the particles of the SM are not charged under this extra $U'(1)$, one cannot avoid the presence of a kinetic mixing between $U'(1)$ and the hypercharge $U_Y(1)$. In this work, we constraint drastically this kinetic mixing, taking into account the recent experimental data from accelerator physics, direct detection and indirect detection of dark matter. We show that the region respecting WMAP and experimental constraints is now very narrowed along the pole line where $M_{Z_D}\simeq 2 m_{DM}$, $Z_D$ being the gauge boson associated to the extra $U'(1)$.

研究动机与目标

• 利用近期实验数据，约束暗 $U'(1)$ 规范群与标准模型超荷 $U(1)_Y$ 之间的动力学混合参数 $\delta$。
• 评估以 $\psi_0$ 为暗物质候选者的 $Z_D$ 介导暗物质模型的可行性。
• 评估该模型与直接探测（CRESST、CoGeNT）、间接探测、WMAP 宇宙射线密度以及电弱精密测试的兼容性。
• 确定未来 1 吨级 XENON 类探测器对剩余允许参数空间的探测灵敏度。

提出的方法

• 该模型包含一个具有稳定暗物质候选者 $\psi_0$ 的暗 $U(1)_D$ 规范规范场，通过一阶量子修正的动力学混合 $\delta/2 F_Y^{\mu\nu} F_D^{\mu\nu}$ 与标准模型耦合。
• 动力学混合参数 $\delta$ 在一阶微扰计算下为 $\delta = \frac{\tilde{g}_Y \tilde{g}_D}{16\pi^2} \sum_j q_Y^j q_D^j \log(m_j^2 / M_j^2)$，其中 $j$ 遍历混合规范场中的粒子态。
• 通过 $\psi_0 \psi_0 \to Z_D \to \bar{f}f$ 湮灭过程计算 $\psi_0$ 的宇宙剩余密度，截面与 $\langle \sigma v \rangle \propto \delta^2 / \Gamma_{Z_D}^2$ 成正比，对 $\delta$ 和 $M_{Z_D}$ 敏感。
• 利用 XENON100、CRESST-II 和 CoGeNT 的直接探测约束，以及间接探测和电弱精密测量数据，对该模型进行检验。
• 在 $(m_{\psi_0}, M_{Z_D})$ 平面内对 $10^{-4} < \delta < 0.8$ 进行扫描，以绘制允许区域。
• 通过评估该探测器可探测的剩余参数空间比例，预测未来 1 吨级 XENON 类实验的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足所有当前实验约束的前提下，暗 $U'(1)$ 规范玻色子与标准模型超荷之间的动力学混合 $\delta$ 允许范围为何？
• RQ2 该模型能否在保持与 WMAP 宇宙射线密度和 XENON100 直接探测限制兼容的前提下，解释 CRESST-II 和 CoGeNT 报告的低能过剩现象？
• RQ3 在 $Z_D$ 共振区附近，直接探测与间接探测约束在排除参数空间方面的能力如何比较？
• RQ4 电弱精密测试和 $\rho$-参数对可行 $\delta$ 与 $M_{Z_D}$ 值有何影响？
• RQ5 未来 1 吨级 XENON 类实验在多大程度上能够排除或发现剩余的可行参数空间？

主要发现

• 该 $Z_D$-暗物质模型的可行参数空间被极大压缩，仅在 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 共振线附近保留一个狭窄条带。
• 在 $m_{\psi_0} \simeq 7$ GeV 附近的区域仍为可行，尽管在其他区域被 XENON100 排除，但可解释 CRESST 和 CoGeNT 的低能过剩现象。
• 当 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 时，所需的动力学混合 $\delta \sim 10^{-3}$ 虽小，但与 WMAP 和 XENON100 限制一致。
• $Z_D$ 共振区 $M_{Z_D} \simeq 2m_{\psi_0}$ 是唯一能同时实现小 $\delta$ 和足够高的湮灭截面以满足 WMAP 宇宙射线密度的区域。
• 电弱精密测试和 $\rho$-参数强烈排除了靠近 $M_{Z_D} \simeq M_Z$ 的区域，因为该区域 $\delta$ 会达到最大值。
• 未来 1 吨级 XENON 类实验将能够探测超过 90% 的剩余允许参数空间，使其对这类模型具有极高灵敏度。