スピン1粒子を用いたダークマターの新しいモデル

現在、ダークマター（DM）を研究している研究者たちは、複雑スカラー、非弾性スカラー、擬似ディラック、そしてマヨラナDMモデルの4つの主要なモデルを使っている。このフレームワークは今のところ有用な洞察を提供しているけど、DMがスピン1粒子から成る可能性を考慮してないんだ。この制限は必ずしも理論や実験で支持されているわけじゃない。

この記事は、スピン1粒子を含むモデルを導入することでDMの理解を広げることを目指している。私たちは、1つのDM候補と1つの媒介者（ダークフォトンと呼ばれる）を含む簡略化されたモデルを展開する。また、DMをスピン1の強く相互作用する質量粒子（SIMP）として定義した複雑ゲージ群に基づくより完全なモデルも提示する。

これらのモデルについて、信号イベントの期待数（LSNDやMiniBooNEのようなビームダンプ実験）、宇宙の初期段階で注入されたエネルギー量、さまざまな条件下でのDM粒子の振る舞いを予測する。いくつかの実験データと私たちの結果を比較することで、これらのモデルが現在の観測と一致する領域を特定し、将来の実験（LDMXやBelle IIなど）でテストできるかもしれない。

#新しいモデルの必要性

DM検出実験で弱く相互作用する大質量粒子（WIMPs）が見つからなかったことから、科学者たちは代替理論や実験アプローチを探るようになった。特に、従来のWIMP質量範囲の外に存在するDM候補に重点が移った。

軽いDM候補を研究する理由が3つある：

1. 核子より軽いDM粒子は、検出実験で観測可能な核反動を引き起こすのに必要なエネルギーがないから、WIMPsが見つからないシンプルな説明になる。
2. 現在の軽い質量範囲の粒子の密度は、観測されたDM密度に一致することができる、特にこれらの状態が他の粒子によって媒介される新しい相互作用を持っている場合。
3. 既存の方法で、電子励起に敏感な直接検出実験やビームダンプ実験を通じて、サブGeV DMモデルを実験的にテストすることができる。

LSNDやMiniBooNEなどのビームダンプ実験は、これらの軽いDMモデルを探る上で特に重要だ。これらはDMが弱い力を介して電子や核子と相互作用するシナリオを効果的にテストできる。

#現在の理論的フレームワーク

現在のビームダンプ実験を分析するフレームワークは、4つのベンチマークモデルに依存している。これらのモデルをレビューするのはこの紹介の範疇を超えているけど、スピン1 DMを考慮してないことに注意が必要だ。最近のいくつかの研究が、この制限には確固たる理論的または実験的支持がないことを指摘している。

私たちの主な目標は、既存のフレームワークをスピン1 DMを含むように広げることだ。最初に、標準フォトンとダークフォトンの相互作用に焦点を当てたスピン1 DMの簡略化モデルを検討する。これらのモデルは、最小限の形で素粒子物理学の標準モデルを拡張する方法を提供する。

次に、DMがSIMPから成るというアイデアに基づいた完全なモデルを分析する。この両方のフレームワークでは、DMが熱的に生成され、将来の実験で観測可能なパラメータ空間の領域を特定したい。

#ベクトルダークマターの簡易モデル

DMを表す複雑なベクトル場と、実現に関連する媒介粒子を含む一連の簡略化したモデルを定義する。これらの場と標準モデル粒子（電子やクォークなど）との相互作用は、一連の方程式を通じて定義される。

相互作用の強さは、特定の結合定数によって決まり、いくつかの仮定がある。この分析は、ダークフォトンがオンシェルで生成され、ビームダンプ実験でDMに崩壊する場合に限定される。

#非アベリアンSIMP

次に、DMが強く相互作用する大質量粒子（SIMP）として表現されるモデルを考える。このモデルは、既知の粒子と相互作用しない新しい対称性群を含むように標準モデルを拡張する。相互作用の強さは異なるゲージ結合によって特徴づけられ、拡張されたヒッグスセクターを含む。

このモデルの動力学は、DM粒子の異なる質量状態間のさまざまな相互作用を引き起こし、これらの相互作用が全体的なDMの豊富さに影響を与える可能性がある。

#現象学における主な違い

簡略化モデルとSIMPの間の主な違いを強調し、遺物密度、運動的平衡、媒介者の生成と崩壊率、そしてDMと電子や核子との散乱断面積に焦点を当てる。

#遺物密度

遺物密度とは、宇宙に存在する現在のDMの量を指す。DM粒子の数密度は、さまざまな相互作用によって時間とともに変化する。DMの振る舞いは、熱的平衡からのデカップリングをモデル化する特定の方程式を使って説明できる。

簡略化モデルとSIMPモデルの両方で、DM遺物密度が確立される方法は異なるメカニズムによって支配されている。簡略化モデルでは、既知の粒子への直接的な消滅が重要だが、SIMPでは独自のプロセスが遺物の豊富さを定義する。

#運動的平衡

SIMPモデルでは、媒介者がDMのフリーズアウト中に熱的浴と運動的平衡にあると仮定する。DM粒子が媒介者と相互作用することで、運動的平衡を維持し、構造形成からの物理的制約に従う。

#媒介者の生成と崩壊

簡略化モデルとSIMPの両方は、実験中に媒介者粒子の生成を可能にする。この生成の動態と、媒介者がDM粒子に崩壊する方法が、これらのモデルが実際にどのように振る舞うかを理解するために重要だ。

#電子および原子核による散乱

DMが電子や核子と相互作用する際の散乱断面積も計算する。これらの断面積は、電子や核子の反動を通じてDMの兆候を探している直接検出実験において関連がある。

#実験および理論的制約

今、私たちは既存の実験から導出されたさまざまな制約と予測を紹介する。現在の観測によって許可され、将来の実験で検出可能なDMが熱的に生成されるパラメータ空間の領域を特定する。

#直接検出

地下検出器での電子遷移を使用した現在のDM探索は、考慮されるモデルの種類に制限を課している。最も競争力のある制約は、Xenon1TやXenon10のような実験から来ている。

#エネルギー注入

初期宇宙でのDM相互作用は、宇宙の光子-バリオンプラズマにエネルギー粒子を注入し、宇宙背景放射（CMB）や銀河間媒体（IGM）に影響を与える。しかし、これらの制限は、s波の消滅プロセスに基づく特定のモデルに最も関連がある。

#ビームダンプと固定ターゲット実験

ビームダンプ実験は、DMを生成する相互作用のカスケードを生み出す。これらのプロセスをモンテカルロシミュレーションを通じてモデル化することで、将来の実験が私たちのモデルのパラメータ空間をどれくらいうまく探ることができるかを予測できる。LSNDやMiniBooNEの実験は、現在のDMモデルの可能性に関する重要な洞察を提供する。

#熱的ターゲットの特定

私たちは、簡略化モデルとSIMPの文脈におけるDM探索のための熱的ターゲットを提示する。これらのターゲットは、DMが熱的に生成され、現在の観測と一致し、今後の実験（LDMXなど）で検出可能なパラメータ空間の領域にある。

#結論

この分析では、サブGeV DMモデルの理解をスピン1粒子を含むように広げた。簡略化モデルとSIMPモデルは、DMの性質と特性を探る有望な道筋を提供し、最終的には将来の実験におけるより包括的な探索につながる。

得られた洞察は、研究者がDMを検出できる領域を特定する手助けとなり、宇宙の elusive ダークマターに対する理解を深める重要な飛躍を代表する。