ArXiv:1308.2679
JHEP 1311 (2013) 014
Constraints for Dark Matter
from LHC and Direct Detection
in Simplified Models
長尾　桂子（新居浜工業高等専門学校）
共同研究者　A.DiFranzo, A.Rajaraman, and T.M.P.Tait
(カリフォルニア大学アーバイン校)
ダークマター(DM)は、ある
Bullet cluster�
衝突する銀河団を素通りする大きな重力源
Weak Lensing�
観測的証拠
Galactic Rotation Curve�
銀河系には光って
見えている以上に
物質がある
Page § 2
遠くの宇宙からの
光を曲げる重力源
WMAP�
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
宇宙背景放射のスペクトルより
（素粒子的な）DMが満たすべき条件
⇥
⇥
ax
⇥
⇥
ln a
§  電気的中性
電荷をもつと容易に観測できるはず
§  相互作用が非常に弱い
重力相互作用のみ/非常に弱い電弱相互作用
§  重い（keV: warm DM / GeV-TeV: cold DM）
軽いと宇宙の構造をwash outしてしまう
§  安定
現在の宇宙のエネルギーの23%を占める
このような粒子を、WIMP
（Weakly Interacting Massive Particle）
と呼ぶ
Page § 3
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h"p://www.cbc.ca/
「標準模型を越えた物理」が必要
H
Standard Model
Page § 4
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WIMP
「標準模型を越えた物理」が必要
どの模型が本当？
H
WIMP
どういう条件をクリアしなければ
ならない？
どうやったら発見できる？
Standard Model
Page § 5
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Constraints for Dark Matter of Models
§  （たくさんのパラメータを含む）無数の素粒子模型で、DMにつ
いて制限が解析されている
§  その制限は、特定の理論の特定のパラメータ設定のときにし
か意味がない
§  しかも、制限は実験ごとに独立のパラメータを使ってつけられる
SUSY(の一例)
Extra dimension（の一例）
ADD model for LED
Page § 6
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Technicolor(の一例)
Choi, Hoing, Matsuzaki
今の状況
LHC constraint
Direct detection in the split
for the natural
How about
the is … super symmetry is …
SUSY
constraints
for LED?
模型屋さん
Page § 7
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
今の状況
LHC constraint
Direct detection in the split
for the natural
How about
the is … super symmetry is …
SUSY
constraints
for LED?
つまり�
どういうこと？�
模型屋さん
状況を一目で把握できるガイドマップを作れないか？
(実験屋さんにも、お互いの実験を参照するのに便利)
Page § 8
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Outline
1.  Introduction
2.  DM Detection -What should we believe in?ü  Direct Detection
ü  Collider (LHC)
ü  Relic Abundance
ü  Indirect Detection
3.  DM in Models -Why Simplified Models?–
4.  Numerical Result
5.  Conclusion
Page § 9
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DM Detection
What should we believe in?
Page § 10
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DMへの制限
§  直接検出実験
§  加速器実験（LHC）
§  残存量
§  間接検出実験
Page § 11
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DM Detection
What should we believe in?
ü 直接検出実験
Page § 12
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
直接検出実験
n  宇宙から飛来するDMと、標的原子核の散乱を測る
反跳原子核を捉える
Page § 13
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直接検出実験
n  宇宙から飛来するDMと、標的原子核の散乱を測る
XMASS実験の場合
1トンの
液体キセノン
Page § 14
反跳原子核を捉える
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直接検出実験から、相互作用の大きさを制限できる
§  Event Rate
Experiment
Astronomy
実験で得られたイベント数への制限
DMの相互作用の大きさに対する制限
Page § 15
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particle +
nuclear phys.
NT : #target
nχ : #DM
v : DM velocity on the Earth
f(v) : DM distribution fun.
mA : nucleus mass
μA : reduced mass of
DM and nucleus
: DM-nucleus
直接検出実験からの制限 -Spin Independent(SI)-
§  DMと原子核のスピンに依存しない相互作用に対する制限
XENON and CDMS
have a lead
SuperCDMS
LUX
Page § 16
CDMSlite
SuperCDMS updated constraints of
low mass region on 2/28.
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直接検出実験からの制限 -Spin Dependent(SD)-
§  DMと原子核のスピンに依存する相互作用に対する制限
SI cross sectionに比べて、
5桁制限がゆるい
Page § 17
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DM Detection
What should we believe in?
ü 直接検出実験
ü 加速器実験
Page § 18
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加速器実験(LHC)からの制限
DMは検出器で検出できないので
陽子-陽子衝突からうまれた粒子の運動量が
保存しないイベントになる
Page § 19
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CMSSMの場合
DMの質量が他の新粒子と縮退してるかもしれない
SUSY（の一例）
gluino
squark
SMのイベントを落とすため、
低い消失エネルギーのイベントを
カットで落としている
Page § 20
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neutralino
/chargino
LSP
DMの質量が他の新粒子と縮退してるかもしれない
SUSY（の一例）
gluino
squark
WIMPとその親粒子の質量が
縮退していたら、WIMPは
非常に低い消失エネルギーしか
持っていないので、カットで落ちて
しまう。
neutralino
/chargino
LSP
今ついている制限より軽いところに、DMがあるかも
しれない
Page § 21
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
DM Detection
What should we believe in?
ü 直接検出実験
ü 加速器実験
ü 残存量
Page § 22
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残存量からの制限
§  様々な観測を総合すると、DMが
宇宙の全エネルギーの23%を占める
超新星�
§  DMがどうやって23%を占めるように
宇宙マイクロ波�
背景放射�
なったか？
-熱的生成を考えるのが一般的
バリオン音響振動�
Page § 23
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comoving number density
(= net DM density)
暗黒物質の熱的生成シナリオ
Freeze out
Kolb & Turner
MDM/T
thermal equilibrium net density is fixed
Page § 24
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熱的生成されるDMの残存量
n  Boltzmann equation�
�
:
�
DMの対消滅散乱断面積
�
n  Annihilation Cross section�
WIMPでは、�
�
�
<σv>~10-26cm3/s が残存量から好まれる�
�
Page § 25
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DMの質量と
対消滅散乱断面積が
残存量に影響
熱的生成シナリオでのDMへの制限は、かなり厳しい
SUSYのCMSSMの場合
b→sγ
stau LSP
g-2
J. Ellis and K. Olive (2012)
Page § 26
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DM Detection
What should we believe in?
ü 直接検出実験
ü 加速器実験
ü 残存量
ü 間接検出実験
Page § 27
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間接検出実験
§  宇宙線のアノマリー
理論から予想される以上の宇宙線が観測された場合、DM由来の可能性が
ある。
–  DM対消滅→粒子の対生成
–  DM崩壊
Page § 28
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近年、DMによるアノマリーだと騒がれてきたもの
ATIC
§  ATIC (2008)
Electron for 100-800 GeV
Page § 29
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近年、DMによるアノマリーだと騒がれてきたもの
ATIC
§  ATIC (2008)
PAMELA
Electron for 100-800 GeV
§  PAMELA (2009)
Positron Fraction for 10-100 GeV
AMS
Confirmed by AMS-02 (2013)
Page § 30
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
近年、DMによるアノマリーだと騒がれてきたもの
ATIC
§  ATIC (2008)
PAMELA
Electron for 100-800 GeV
§  PAMELA (2009)
Positron Fraction for 10-100 GeV
AMS
Confirmed by AMS-02 (2013)
§  Fermi data analyzed by C.Weniger
(2012)
Page § 31
1204.2797
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
近年、DMによるアノマリーだと騒がれてきたもの
ATIC
§  ATIC (2008)
PAMELA
Electron for 100-800 GeV
<σv>weak~10-23-10-24cm3/s
§  PAMELA (2009)
Positron Fraction for 10-100 GeV
AMS
Confirmed by AMS-02 (2013)
§  Fermi data analyzed by C.Weniger
(2012)
Page § 32
mχ~129.GeV
<σv>γγ~1.27×10-27cm3/s
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
1204.2797
近年、DMによるアノマリーだと騒がれてきたもの
ATIC
§  ATIC (2008)
PAMELA
Electron for 100-800 GeV
<σv>weak~10-23-10-24cm3/s
§  PAMELA (2009)
Positron Fraction for 10-100 GeV
AMS
Confirmed by AMS-02 (2013)
§  Fermi data analyzed by C.Weniger
(2012)
mχ~129.GeV
<σv>γγ~1.27×10-27cm3/s
They can be caused by astrophysical origin
(like pulsar)!
Page § 33
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1204.2797
（主観的な）DMへの実験・観測まとめ
§  直接検出実験
DM-核子散乱
σ <10-45cm2 for SI
σ<10-39cm2 for SD
§  LHC（加速器実験）
mDM > 250 GeV
（模型のパラメータの取り方や質量スペクトラムによってかなり変わる）
§  残存量
ΩDM=0.23
対消滅散乱断面積 <σv>~10-25cm3/s
§  間接検出実験
対消滅散乱 <σv>~10-23-24, 10-27cm3/s
Page § 34
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
（主観的な）DMへの実験・観測まとめ
DM-核子散乱
DMの相互作用や質量への
-45
2
σ <10 cm for SI
かなり直接的な制限
σ<10-39cm2 for SD
§  直接検出実験
§  LHC（加速器実験）
mDM > 250 GeV
（模型のパラメータの取り方や質量スペクトラムによってかなり変わる）
§  残存量
ΩDM=0.23
対消滅散乱断面積 <σv>~10-25cm3/s
§  間接検出実験
対消滅散乱 <σv>~10-23-24, 10-27cm3/s
Page § 35
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
（主観的な）DMへの実験・観測まとめ
DM-核子散乱
DMの相互作用や質量への
-45
2
σ <10 cm for SI
かなり直接的な制限
σ<10-39cm2 for SD
§  直接検出実験
§  LHC（加速器実験）
mDM > 250 GeV
特別な場合を除けば
直接的な制限
（模型のパラメータの取り方や質量スペクトラムによってかなり変わる）
§  残存量
ΩDM=0.23
対消滅散乱断面積 <σv>~10-25cm3/s
§  間接検出実験
対消滅散乱 <σv>~10-23-24, 10-27cm3/s
Page § 36
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
（主観的な）DMへの実験・観測まとめ
DM-核子散乱
DMの相互作用や質量への
-45
2
σ <10 cm for SI
かなり直接的な制限
σ<10-39cm2 for SD
§  直接検出実験
§  LHC（加速器実験）
mDM > 250 GeV
特別な場合を除けば
直接的な制限
（模型のパラメータの取り方や質量スペクトラムによってかなり変わる）
§  残存量
ΩDM=0.23
対消滅散乱断面積 <σv>~10-25cm3/s
残存量の制限は満たすべきだが、
必ずしも熱的生成でなくてもよい
§  間接検出実験
対消滅散乱 <σv>~10-23-24, 10-27cm3/s
Page § 37
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（主観的な）DMへの実験・観測まとめ
DM-核子散乱
DMの相互作用や質量への
-45
2
σ <10 cm for SI
かなり直接的な制限
σ<10-39cm2 for SD
§  直接検出実験
§  LHC（加速器実験）
mDM > 250 GeV
特別な場合を除けば
直接的な制限
（模型のパラメータの取り方や質量スペクトラムによってかなり変わる）
§  残存量
残存量の制限は満たすべきだが、
必ずしも熱的生成でなくてもよい
ΩDM=0.23
対消滅散乱断面積 <σv>~10-25cm3/s
§  間接検出実験
？天体起源の可能性
対消滅散乱 <σv>~10-23-24, 10-27cm3/s
Page § 38
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DM in Models
Why Simplified Models?
Page § 39
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LHC constraint
Direct detection in the split
for the natural
How about
the is … super symmetry is …
SUSY
constraints
for LED?
つまり�
どういうこと？�
状況を一目で把握できるガイドマップを作れないか？
(実験屋さんにも、お互いの実験を参照するのに便利)
Page § 40
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模型の位置関係
UV theories
Effective theory
SUSY
(mSUGRA, MSSM, NMSSM, …)
Simplified Models
•  DM・mediator以外の
新粒子はdecouple
•  直接検出実験・LHC実験の
エネルギーレベルで妥当と仮定
Extra Dimension
(UED, LS, …)
Little Higgs
Page § 41
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Technicolor
Simplified Model
§  Let us consider simplified model
which has commonalities between many
theories
Page § 42
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
Other works:
J.Goodman and W.Shepherd (2011)
M.T.Frandsen et al. (2011)
I.M.Shoemaker and L.Vecchi (2011)
…
Simplified Model
§  Let us consider simplified model
which has commonalities between many
theories
decoupled
§  Ignoring underlying theory, we will
focus on DM and related interactions/
couplings.
mediator
DM
Page § 43
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
Other works:
J.Goodman and W.Shepherd (2011)
M.T.Frandsen et al. (2011)
I.M.Shoemaker and L.Vecchi (2011)
…
Simplified Model
§  Let us consider simplified model
which has commonalities between many
theories
decoupled
§  Ignoring underlying theory, we will
focus on DM and related interactions/
couplings.
§  Effective theory where other particles
than DM and its mediator are
decoupled.
§  Valid at energy scale of collider & direct
Other works:
detection
Page § 44
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
mediator
DM
J.Goodman and W.Shepherd (2011)
M.T.Frandsen et al. (2011)
I.M.Shoemaker and L.Vecchi (2011)
…
Our Simplified Models
§  SM + Fermionic DM (Singlet) + Colored Mediator
§  Scalar Mediator ※ 3 generation for each mediator
u model
d model
mediator
interaction
Page § 45
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
q model
Bounds for DM - Collider Bound -
§ [CMS Collaboration] CMS-PAS-SUS-12-028
Simplified Model T2, 8TeV, 11.7fb-1
Page § 46
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
Direct Detection in Simplified Model
u
med.
u
χ
χ
(q → 0)
§ Spin-Independent (SI) cross section (Majorana DMの場合はゼロ)
§ Spin-Dependent (SD) Page § 47
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-Numerical Results
Page § 48
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u model (Dirac case)
§ Collider bound Excluded
Page § 49
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
u model (Dirac case)
§  Direct Detection for SI cross section
軽いDMに対しては、
直接検出からの
制限は弱い
Page § 50
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
u model (Dirac case)
§ LHC + Direct Detection Combined
ü  Direct detection (SI) is severe bound except for heavy DM and/or
mediator.
Direct Detection
Collider
Page § 51
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How about Majorana case?
§ Combined Constraints
ü  SI interaction is forbidden in tree level
ü  Dominated by LHC bound
ü  Direct detection (SI) is subdominant except for mass degenerate
region
Direct Detection
Collider
Page § 52
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LHC（制限） + SI（制限） + SD（予言）
§  u Model (Dirac DM)
×10-45
σSD[cm2]の上限
LHCとSIの制限が厳しいため、SD cross sectionは
現在の実験からの制限（σSD<10-35cm2）よりかなり小さい
検出はまだ時間がかかる
Page § 53
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LHC（制限） + SI（制限） + SD（予言）
§  u Model (Majorana DM)
×10-38
σSD[cm2]の上限
×10-39
×10-40
×10-41
×10-41
SIの制限がないため、SD cross sectionは大きくてもよい
検出は近い未来かも
Page § 54
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LHC（制限） + Direct Detection（制限）
+ Annihilation Cross Section（予言）
§  u Model (Dirac DM)
•  SI からの制限が厳しいため、
対消滅散乱断面積も小さくなければ
ならない
•  残存量は熱的生成では説明できない
§  u Model (Majorana)
•  SIからの制限がゆるいため、
対消滅散乱断面積は大きくてもよい。
•  残存量は熱適生成が説明できる領域
もある（<σv>~10-25-10-26cm3/s）
Page § 55
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
Guiding Maps (Results)
§  Dirac DM
§  Majorana DM
Page § 56
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.
Conclusion
§  We made guiding maps for fermionic DM in the simplified
models
§  Bound for Dirac DM is (mainly) SI interaction
§  Bound for Majorana DM is (mainly) LHC constraint
なるほど！
Page § 57
Mar. 6, 2014, Hiroshima U.