[论文解读] What is the Cosmological Significance of a Discovery of Wimps at Colliders or in Direct Experiments?

Jacob L. Bourjaily, Gordon Kane|ArXiv.org|Jan 28, 2005

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 27被引用 7

一句话总结

本文表明，仅靠对撞机实验或直接探测实验都无法确定WIMP发现的宇宙学意义——特别是其原初或本地暗物质密度。通过结合对撞机数据（以约束WIMP-核子散射截面）与直接探测数据（以测量本地密度），作者提出一种方法，可推导出实际本地暗物质密度的下限，从而为评估所发现的WIMP是否构成宇宙暗物质的显著部分提供路径。

ABSTRACT

Although a discovery of wimps either at colliders or in direct experiments would have enormous implications for our understanding of particle physics, it would imply less than one would like about our understanding of the dark matter in the universe or in the galactic halo: it surely is possible that the discovered particles account for only a little of the total dark matter. To establish the cosmological significance of a wimp discovery, their density must be determined. We show that data from neither hadron colliders nor direct detection experiments alone can be sufficient to determine the local or relic density of discovered wimps, even allowing all needed assumptions about cosmology and astrophysics. We provide examples of dark matter models where nearly identical detector or collider signals correspond to very different densities. We show, however, that it may be possible to determine the density of wimps by combining data from both experiments; we present a general method to do this in the case of supersymmetric dark matter, and describe how similar studies could be made for other wimp candidates.

研究动机与目标

• 解决一个关键问题：即所发现的WIMP是否占宇宙暗物质的显著比例。
• 挑战一种假设：即在对撞机或直接探测实验中发现WIMP就自动意味着其具有宇宙学相关性。
• 开发一种结合对撞机与直接探测数据的方法，以约束WIMP的本地暗物质密度。
• 证明仅凭对撞机数据无法确定原初或本地WIMP密度，原因在于模型依赖性以及高能标物理的缺失。
• 表明直接探测实验仅在已知WIMP及其耦合常数的前提下才能测量本地密度，而这些信息需要来自对撞机数据。

提出的方法

• 利用对撞机数据，在不假设超对称性破缺模式的前提下，约束最一般的MSSM中WIMP-核子散射截面。
• 随着更多对撞机数据的获取，通过迭代优化来改进截面的约束。
• 利用直接探测数据测量本地WIMP密度与散射截面的乘积。
• 将对撞机推导出的截面约束与直接探测测量结果相结合，推导出本地WIMP密度的下限。
• 通过独立测量的质量进行比较，建立对撞机与直接探测中观测到的WIMP质量一致性。
• 使用统计算法生成数千个MSSM模型，并在多样化参数空间中测试本地密度下限的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅凭对撞机数据能否确定所发现WIMP的原初或本地密度？
• RQ2 仅凭直接探测实验能否确定WIMP发现的宇宙学意义？
• RQ3 是否可以结合对撞机与直接探测数据来约束WIMP的实际本地暗物质密度？
• RQ4 热冻结计算在从对撞机数据预测WIMP原初密度方面存在哪些局限性？
• RQ5 如何确认在对撞机中观测到的WIMP与在银河晕中直接探测到的WIMP是同一粒子？

主要发现

• 即使在超对称模型中，仅凭对撞机数据也无法确定WIMP的原初或本地密度，原因在于其模型依赖性以及高能标物理的缺失。
• 直接探测实验无法在缺乏对WIMP散射截面先验知识的前提下确定本地WIMP密度，而该知识需要来自对撞机数据。
• 通过结合对撞机对散射截面的约束与直接探测测量结果，可以推导出中性子暗物质本地暗物质密度的下限。
• 该本地密度下限在数千个测试的MSSM模型中均表现稳健，并且随着更多对撞机数据的获取而逐步改善。
• 该方法依赖于对撞机与直接探测信号之间质量的一致性，以确认两者观测的是同一粒子。
• 该方法提供了一个通用框架，适用于任何WIMP候选者（不仅限于超对称模型），以评估其宇宙学意义。