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Bounds on Inelastic Dark Matter from Capture in Celestial Bodies

  • 김효민 (Hyomin Kim, 서강대학교 일반대학원)

초록

암흑물질은 중력 효과로 측정된 은하들의 질량 중 기본입자로는 설명이 되지 않는 부분을 설명하기 위해 만들어진 입자이다. 하지만 현재까지는 입자들과 중력으로 상호작용을 한다는 것 말고는 암흑물질에 관해 충분한 이해가 이루어지지 않았다. 따라서, 전세계적으로 암흑물질을 탐지해 그 성질을 알기위한 연구가 이루어지고 있는데, 그 중에서도 이 학위 논문에서는 Capture라는 간접검출법에 초점을 두었다. Capture란 별이나 항성 잔유물 같은 무거운 천체의 중력에 의해 포획된 암흑물질이 그 내부에서 소멸하거나 붕괴하면서 나오는 신호들을 찾는 간접검출법이다. 그러나 어떤 시나리오에서는 암흑물질이 천체의 핵자와 비탄성 산란을 하는데, 이 과정에서 암흑물질의 질량이 증가하는 경우 이러한 질량차를 암흑물질의 운동에너지로 보완하기 위해 그의 충돌 전 속력에 최소한도가 생긴다. 암흑물질의 모델 중 하나인 WIMP의 경우, 암흑물질은 비상대론적인 속도로 움직이기 때문에 이러한 최소 속력을 만족하지 못할 경우 질량이 증가하는 비탄성 산란은 이루어지지 않는다. 하지만, 이러한 한계는 개선될 수 있는데, 왜냐하면 암흑물질 입자가 천체에 접근하면서 천체의 중력장으로 인해 가속되기 때문이다. 이 학위논문에서는 천체들 중에서 태양, 그리고 특히 백색왜성에서의 Capture를 다루고자 한다. 지구에서의 지하실험장에서의 직접검출실험과 비교해보면, 지구에서는 200 keV 부근까지가 최대 칠량차인 반면, 태양에서의 Capture는 그 질량차를 600 keV 부근까지 늘릴 수 있고, 거기에 더해 백색왜성의 Capture는 수십 MeV까지도 그 한계를 개선시킬 수 있다. 또한, 이 학위 논문은 Left-Right Symmetric Model을 도입해 self conjugate fermionic bi-doublet이라는 비탄성산란을 할 수 밖에 없는 특별한 암흑물질 모델을 보이고자 한다. 이러한 모델을 통해, 백색왜성의 Capture가 오른손잡이 SU(2) 게이지장의 결합상수와 왼손잡이 SU(2) 게이지장의 결합상수의 비율이 1보다 크지 않는 이상 암흑물질의 유물 밀도가 관측값과 일치하는 모든 변수공간을 배제하는 것을 볼 수 있다.

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초록

Dark matter is a mysterious particle that is introduced to explain the missing mass in galaxies that is measured gravitationally. However, besides its gravitational interactions its nature is mysterious. Therefore, there are numerous attempts around the world trying to detect Dark Matter particles. This paper focuses on a specific way of indirect detection of Dark Matter, called Capture, which searches for signals from the annihilation or decay of Dark Matter captured by the gravitational potential of a celestial body, such as a star or a stellar remnant. In some scenarios the Dark Matter interacts inelastically with nuclei, upscattering to a heavier state, and the WIMP needs a minimal speed to scatter off nuclei, which depends on the mass splitting between the light and the heavy state. In this case the process is usually suppressed because the WIMPs in our galaxy are non-relativistic. However, the bounds on inelastic Dark Matter by Capture can be enhanced, because the celestial body accelerates the WIMP with its gravitational potential. In particular, in this paper Capture in the Sun and especially, Capture in White Dwarves will be analyzed. Compared to direct detection in terrestrial underground detectors, which can probe values of the mass splitting up to 200 keV, Capture in the Sun constraints the mass splitting of inelastic Dark Matter up to around 600 keV, while Capture in White Dwarves can reach bounds as high as a few tens of MeV. In this thesis we also consider a particular realization of Inelastic Dark Matter, a self conjugate fermionic bi-doublet in Left-Right Symmetric Model. We show that Capture in White Dwarves excludes the full parameter space where the relic density of the Dark Matter particle matches the observed value, unless the ratio between the coupling constants of SU(2)R and SU(2)L is larger than one.

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목차

1 Introduction 1
1.1 The existence of Dark Matter 1
1.2 The candidates of Dark Matter 2
2 Capture of Dark Matter in celestial bodies 5
2.1 Inelastic scattering of Dark Matter 6
2.2 General Capture process of DM inside celestial bodies 8
2.3 Capture in the Sun 12
2.4 Capture in WDs 15
2.4.1 Dark Matter in M4 globular cluster 15
2.4.2 Luminosity from DM annihilation inside WDs 17
3 Self conjugate bi-doublet Dark Matter in Left-Right Symmetric Model 22
3.1 Left-Right Symmetric Model 22
3.1.1 Spontaneous Symmetry Breaking in Left-Right Symmetric Model 22
3.1.2 Mixing of SU(2)L and SU(2)R gauge bosons 27
3.2 Dark Matter inside Self conjugate fermionic bi-doublet 31
3.3 White Dwarves bounds on self conjugate bi-doublet Dark Matter 35
4 Conclusions 40
References 42

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