[论文解读] Thermal relic abundance of the lightest Kaluza-Klein particle in phenomenological universal extra dimension models

Yoshiaki Ishigure, M. Kakizaki+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文计算了在现象学通用额外维（pUED）模型中，最轻的Kaluza-Klein光子（γ⁽¹⁾）的热遗迹丰度，其中KK粒子的质量不受最小UED值的限制。研究表明，共湮灭效应强烈依赖于γ⁽¹⁾与其他第一级KK粒子之间的质量简并，即使某一KK态与γ⁽¹⁾近乎简并，宇宙学上可接受的紧化尺度仍位于1 TeV至几TeV之间。

ABSTRACT

Universal extra dimension models with Kaluza-Klein parity provide us excellent candidates for dark matter. We consider phenomenological universal extra dimension models where the Kaluza-Klein (KK) mass spectrum is different from that of the minimal universal extra dimension model, and compute the thermal relic abundance of the first KK mode of the photon taking into account the production of second KK particles. It is pointed out that its thermal relic abundance depends significantly on the mass degeneracy between the KK-photon and other KK particles because of considerable coannihilation effects. The cosmologically favored compactification scale is shown to range from around 1 TeV to a few TeV even in the cases where one of the first KK particles is tightly degenerate with the first KK photon in mass.

研究动机与目标

• 评估在具有任意KK质量谱的phenomenological universal extra dimension（pUED）模型中，第一级Kaluza-Klein光子（γ⁽¹⁾）的热遗迹丰度。
• 研究涉及第二级KK粒子的共湮灭过程对γ⁽¹⁾遗迹密度的影响。
• 确定当γ⁽¹⁾与其他第一级KK粒子的质量简并程度变化时，与观测到的暗物质丰度Ωh² ≈ 0.12一致的紧化尺度范围。
• 评估在KK质量分裂偏离mUED假设时，mUED对紧化尺度预测的鲁棒性。

提出的方法

• 该研究采用一个具有平坦第五维、在S¹/Z₂轨道面上紧化的5D通用额外维模型，其参数由紧化半径R表示。
• KK粒子的质量通过场强参数（Z_B, Z_W, Z_t等）定义，这些参数被视作自由参数，偏离了mUED假设中Z ≈ 1的最小值。
• 通过数值方法计算γ⁽¹⁾的热遗迹丰度，包括所有涉及第一级KK粒子以及末态包含第二级KK粒子的共湮灭过程。
• 使用质量简并参数Δ_X = (m_X⁽¹⁾ − m_γ⁽¹⁾)/m_γ⁽¹⁾来量化与mUED质量谱的偏离程度。
• 分析假设希格斯质量参数μ = 0，并将其他质量参数设为mUED值（ΛR = 5），仅对选定的第一级KK粒子X进行调整。
• 第二级KK粒子的共湮灭顶点和衰变模式基于mUED相互作用进行建模，以保持一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在pUED模型中，最轻Kaluza-Klein光子（γ⁽¹⁾）的热遗迹丰度如何依赖于其与其他第一级KK粒子之间的质量简并？
• RQ2 第二级KK粒子的产生对有效湮灭截面及γ⁽¹⁾最终遗迹密度有何影响？
• RQ3 当某一第一级KK粒子与γ⁽¹⁾高度简并时，预测的紧化尺度1/R相较于mUED预测有何变化？
• RQ4 在任意KK质量分裂条件下，哪些紧化尺度范围仍与观测到的暗物质遗迹密度Ωh² ≈ 0.12一致？

主要发现

• 由于显著的共湮灭效应，第一级Kaluza-Klein光子（γ⁽¹⁾）的热遗迹丰度对与其他第一级KK粒子的质量简并极为敏感。
• 即使某一第一级KK粒子与γ⁽¹⁾近乎简并，宇宙学上可接受的紧化尺度1/R仍位于约1 TeV至几TeV之间。
• 在末态中包含第二级KK粒子的生产显著改变了有效湮灭截面，并与忽略此类过程的模型相比，导致遗迹密度预测发生偏移。
• mUED预测（图2中的黑线）在质量分裂变化下并不稳健；当KK质量未被限制在mUED值时，允许的1/R范围显著扩大。
• Z⁽¹⁾线在(1/R, Δ_X)平面上的行为揭示了对W⁽²⁾±和a⁽¹⁾±衰变通道阈值的非平凡依赖，表明共湮灭过程中存在共振效应。