Nouveaux modèles pour la matière noire avec des particules de spin-1

Actuellement, les chercheurs qui étudient la matière noire (DM) utilisent quatre types de modèles principaux : les modèles de scalaire complexe, de scalaire inélastique, pseudo-Dirac et de Majorana. Bien que ce cadre ait fourni des informations utiles jusqu'à présent, il ne prend pas en compte la possibilité que la DM puisse être constituée de particules de spin-1. Cette limitation n’est pas forcément soutenue par la théorie ou l’expérience.

Cet article vise à élargir notre compréhension de la DM en introduisant des modèles qui incluent des particules de spin-1. On développe des modèles simplifiés qui impliquent un candidat DM et un médiateur, appelé le photon sombre. De plus, on présente un modèle plus complet basé sur un groupe de jauge complexe où la DM est définie comme une particule massive fortement interactive de spin-1 (SIMP).

Pour ces modèles, on calcule plusieurs facteurs importants : le nombre attendu d'événements de signal dans des expériences de décharge de faisceau (comme LSND et MiniBooNE), la quantité d'énergie injectée dans l'univers durant ses débuts, et comment ces modèles prédisent le comportement des particules DM dans diverses conditions. En comparant nos résultats avec les données de plusieurs expériences, on peut identifier les domaines où ces modèles s’alignent avec les observations actuelles et pourraient être testés dans de futures expériences comme LDMX et Belle II.

#La Nécessité de Nouveaux Modèles

L’échec à trouver des particules massives faiblement interactives (WIMPs) dans les expériences de détection de DM a conduit les scientifiques à explorer des théories et des approches expérimentales alternatives. Un intérêt significatif s’est tourné vers les candidats DM qui se situent en dehors de la plage de masse traditionnelle des WIMPs, en particulier dans la plage MeV à GeV.

Trois raisons principales soutiennent l’étude de candidats DM plus légers :

1. Une particule DM plus légère qu’un nucléon manquerait de l’énergie nécessaire pour provoquer un recul nucléaire observable dans les expériences de détection, fournissant une explication simple à l'absence de WIMPs.
2. La densité actuelle des particules dans la plage de masse plus légère peut correspondre à la densité de DM observée, surtout si ces états ont de nouvelles interactions médiées par d'autres particules.
3. Des méthodes existantes peuvent tester expérimentalement des modèles de DM sub-GeV, y compris des expériences de détection directe sensibles aux excitations électroniques et aux expériences de décharge de faisceau.

Les expériences de décharge de faisceau, y compris LSND et MiniBooNE, sont particulièrement significatives pour explorer ces modèles de DM plus légers. Elles peuvent tester efficacement des scénarios où la DM interagit soit avec des électrons, soit avec des nucléons à travers des forces faibles.

#Cadre Théorique Actuel

Le cadre actuel pour analyser les expériences de décharge de faisceau repose sur quatre modèles de référence. Bien qu'un examen de ces modèles dépasse cette introduction, on note qu'ils ne tiennent pas compte de la DM de spin-1. Plusieurs études récentes ont souligné que cette restriction manque de soutien théorique ou expérimental solide.

Notre objectif principal est d'élargir le cadre existant pour inclure la DM de spin-1. D'abord, on examine des modèles simplifiés pour la DM de spin-1 en se concentrant sur les interactions entre un photon standard et un photon sombre. Ces modèles offrent un moyen d’étendre le Modèle Standard de la physique des particules tout en restant minimalistes.

Ensuite, on analyse un modèle complet basé sur l'idée que la DM est composée de SIMPS. Dans les deux cadres, on cherche à identifier des zones dans l'espace des paramètres où la DM est produite thermiquement et observable dans des expériences futures.

#Modèles Simplifiés pour la Matière Noire Vecteur

On définit un ensemble de modèles simplifiés qui incorporent un champ vectoriel complexe représentant la DM et une particule médiatrice associée à un champ vectoriel réel. Les interactions entre ces champs et les particules du modèle standard, comme les électrons et les quarks, sont définies à travers un ensemble d'équations.

La force d'interaction est déterminée par des constantes de couplage spécifiques, avec certaines hypothèses sur leur nature. Cette analyse est limitée aux cas où des Photons Sombres peuvent être produits à l'état virtuel et se désintégrer en DM lors d'expériences de décharge de faisceau.

#SIMPs Non-Abéliens

Ensuite, on considère un modèle où la DM est représentée comme une particule massive fortement interactive (SIMP). Ce modèle implique d'étendre le modèle standard pour inclure un nouveau groupe de symétrie qui n'interagit pas avec des particules connues. La force d'interaction est caractérisée par des couplages de jauge différents et inclut un secteur Higgs étendu.

La dynamique de ce modèle conduit à diverses interactions entre différents états de masse des particules DM, et ces interactions peuvent affecter l'abondance globale de la DM.

#Principales Différences en Phénoménologie

On met en évidence les principales différences entre les modèles simplifiés et les SIMPs, en se concentrant sur la densité de relique, l'Équilibre cinétique, la production et les taux de désintégration des Médiateurs, et les sections efficaces de diffusion de la DM avec des électrons et des nucléons.

#Densité de Reliques

La densité de reliques fait référence à la quantité actuelle de DM dans l'univers. La densité numérique des particules DM évolue avec le temps en raison de diverses interactions. Le comportement de la DM peut être décrit à l'aide d'équations spécifiques qui modélisent comment elle se découple de l'équilibre thermique.

Différents mécanismes régissent comment la densité de reliques de DM est établie dans les modèles simplifiés et SIMP. Pour les modèles simplifiés, l'annihilation directe en particules connues est cruciale, tandis que pour les SIMPs, des processus uniques définissent l'abondance de reliques.

#Équilibre Cinétique

Dans les modèles SIMP, on suppose que le médiateur est en équilibre cinétique avec le bain thermique pendant le freeze-out de la DM. Alors que les particules DM interagissent avec le médiateur, elles restent en équilibre cinétique, respectant les contraintes physiques issues de la formation de structures.

#Production et Désintégration des Médiateurs

Les modèles simplifiés et les SIMPs permettent tous deux la production de particules médiatrices pendant les expériences. La dynamique de cette production et la manière dont les médiateurs se désintègrent en particules DM est essentielle pour comprendre comment ces modèles se comporteraient en pratique.

#Diffusion par Électrons et Noyaux

Les sections efficaces de diffusion pour la DM interagissant avec des électrons et des nucléons sont également calculées. Ces sections efficaces sont pertinentes pour les expériences de détection directe, où les scientifiques cherchent des signes de DM à travers le recul d’électrons ou de noyaux.

#Contraintes Expérimentales et Théoriques

On introduit maintenant une variété de contraintes et de projections dérivées d'expériences existantes qui s'appliquent à nos modèles. On identifiera des zones dans l'espace des paramètres où la DM est produite thermiquement, autorisée par les observations actuelles, et détectable dans de futures expériences.

#Détection Directe

Les recherches actuelles sur la DM utilisant des transitions électroniques dans des détecteurs souterrains imposent des limitations sur les types de modèles considérés. Les contraintes les plus compétitives proviennent d'expériences comme Xenon1T et Xenon10.

#Injection d'Énergie

Les interactions de la DM dans l'univers primordial peuvent injecter des particules énergétiques dans le plasma cosmique photon-baryon, influençant le fond diffus cosmologique (CMB) et le milieu intergalactique (IGM). Cependant, ces limites sont les plus pertinentes pour des modèles spécifiques basés sur des processus d'annihilation s-wave.

#Décharges de Faisceau et Expériences à Cible Fixe

Les expériences de décharge de faisceau créent des cascades d’interactions qui peuvent produire de la DM. En modélisant ces processus à travers des simulations Monte Carlo, on peut prévoir comment les futures expériences exploreront l'espace des paramètres de nos modèles. Les expériences LSND et MiniBooNE offrent des aperçus significatifs sur le potentiel des modèles DM actuels.

#Identification des Cibles Thermiques

On présente des cibles thermiques pour les recherches de DM dans le contexte des modèles simplifiés et des SIMPs. Ces cibles se situent dans des régions de l'espace des paramètres où la DM peut être produite thermiquement, est cohérente avec les observations actuelles, et se trouve à portée de détection dans les expériences à venir comme LDMX.

#Conclusion

Dans cette analyse, on a élargi la compréhension des modèles de DM sub-GeV pour inclure des particules de spin-1. Les modèles simplifiés et SIMP offrent des avenues prometteuses pour explorer la nature et les propriétés de la DM, menant finalement à des recherches plus complètes dans les futures expériences.

Les insights obtenus guideront les chercheurs dans l'identification des zones où la DM pourrait être détectée, représentant un saut critique dans notre compréhension de la mystérieuse matière noire de l'univers.