[论文解读] Thermal WIMPs and the Scale of New Physics: Global Fits of Dirac Dark Matter Effective Field Theories

The GAMBIT Collaboration, Peter Athron+25 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 229被引用 39

一句话总结

本文通过有效场论（EFT）对狄拉克暗物质进行了全局拟合，使用了14个六维和七维算符，将一个SU(1) singlet狄拉克费米子与夸克、胶子和光子耦合。利用GAMBIT框架，对直接探测、间接探测、LHC数据和CMB约束进行了同时似然分析，尽管存在LHC过剩和EFT有效性约束，尤其在暗物质质量低于100 GeV时存在张力，但在新物理尺度接近1 TeV时仍找到了WIMP的可行参数空间。

ABSTRACT

We assess the status of a wide class of WIMP dark matter (DM) models in light of the latest experimental results using the global fitting framework $ extsf{GAMBIT}$. We perform a global analysis of effective field theory (EFT) operators describing the interactions between a gauge-singlet Dirac fermion and the Standard Model quarks, the gluons and the photon. In this bottom-up approach, we simultaneously vary the coefficients of 14 such operators up to dimension 7, along with the DM mass, the scale of new physics and several nuisance parameters. Our likelihood functions include the latest data from $\mathit{Planck}$, direct and indirect detection experiments, and the LHC. For DM masses below 100 GeV, we find that it is impossible to satisfy all constraints simultaneously while maintaining EFT validity at LHC energies. For new physics scales around 1 TeV, our results are influenced by several small excesses in the LHC data and depend on the prescription that we adopt to ensure EFT validity. Furthermore, we find large regions of viable parameter space where the EFT is valid and the relic density can be reproduced, implying that WIMPs can still account for the DM of the universe while being consistent with the latest data.

研究动机与目标

• 使用全局EFT框架评估一大类狄拉克暗物质模型的可行性。
• 同时约束14个高维算符，这些算符将狄拉克暗物质与标准模型夸克、胶子和光子耦合。
• 评估WIMP模型与最新直接探测和间接探测数据、LHC结果以及CMB观测的一致性。
• 确定与原初丰度和实验约束一致的新物理尺度，尤其关注暗物质质量低于100 GeV的情况。
• 研究EFT有效性条件和LHC似然处理方法对全局参数拟合的影响。

提出的方法

• 利用GAMBIT全局拟合框架，对至多七维的14个EFT算符进行贝叶斯全局分析。
• 同时变化暗物质质量、新物理尺度和14个算符系数，以及干扰参数。
• 整合来自Planck CMB数据、直接探测（LUX, XENON1T）、间接探测（Fermi-LAT）以及LHC搜索（ATLAS/CMS）的似然函数。
• 基于能量尺度和算符维度应用EFT有效性条件，并使用截断似然函数以确保在LHC能量下的有效性。
• 在GAMBIT中使用micrOMEGAs和CalcHEP计算原初丰度、直接探测截面以及通过Process Catalogue的间接探测。
• 使用UFO到Model转换工具（ufo_to_mdl）将FeynRules模型转换为CalcHEP兼容格式，用于对撞机模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 当面对完整的宇宙学和对撞机约束时，包含14个EFT算符的狄拉克暗物质模型是否仍能保持可行性？
• RQ2 在暗物质质量低于100 GeV时，与EFT有效性及观测到的暗物质原初丰度一致的最小新物理尺度是多少？
• RQ3 LHC数据中的微小过剩如何影响WIMP型暗物质的全局拟合结果？
• RQ4 多个EFT算符之间的干涉效应在多大程度上能缓解原初丰度约束，相较于单算符分析？
• RQ5 结果对EFT有效性处理方法和LHC似然处理方式的选择有多敏感？

主要发现

• 对于暗物质质量低于100 GeV的情况，无法在保持LHC能量下EFT有效性的前提下同时满足所有实验约束。
• 在新物理尺度约为1 TeV时，结果对LHC数据中的微小过剩敏感，并且依赖于所采用的EFT有效性处理方法。
• 存在大范围的可行参数空间，其中EFT保持有效且观测到的原初丰度得以重现，支持WIMP的可行性。
• 多个算符之间的干涉在缓解原初丰度约束方面起着重要作用，尤其是在多个算符共同贡献湮灭过程时。
• 引入对撞机约束——尤其是LHC数据——与忽略LHC数据的分析相比，显著缩小了可行参数空间。
• 使用截断LHC似然函数可改善EFT一致性，但与完整似然函数相比导致后验分布不同，凸显了EFT有效性处理的重要性。