MeV dark matter complementarity and the dark photon portal

被引：50

作者：

Dutra, Maira ^{[1
]}

Lindner, Manfred ^{[2
]}

Profumo, Stefano ^{[3
,4
]}

Queiroz, Farinaldo S. ^{[5
]}

Rodejohann, Werner ^{[2
]}

Siqueira, Clarissa ^{[2
,6
]}

机构：

[1] Univ Paris Saclay 11, CNRS, Lab Phys Theor, UMR 8627, F-91405 Orsay, France

[2] Max Planck Inst Kernphys, Postfach 103980, D-69029 Heidelberg, Germany

[3] Univ Calif Santa Cruz, Dept Phys, Santa Cruz, CA 95064 USA

[4] Univ Calif Santa Cruz, Santa Cruz Inst Particle Phys, Santa Cruz, CA 95064 USA

[5] Univ Fed Rio Grande do Norte, Int Inst Phys, Campus Univ, BR-59078970 Natal, RN, Brazil

[6] Univ Fed Paraiba, Dept Fis, Caixa Postal 5008, BR-58051970 Joao Pessoa, Paraiba, Brazil

来源：

JOURNAL OF COSMOLOGY AND ASTROPARTICLE PHYSICS | 2018年 / 03期

基金：

巴西圣保罗研究基金会;

关键词：

dark matter theory; particle physics - cosmology connection; NEUTRINO BURST; GAMMA-RAYS; LIGHT; SEARCH; ANNIHILATION; CONSTRAINTS; PARTICLES; REGION; MODEL; WIMP;

D O I：

10.1088/1475-7516/2018/03/037

中图分类号：

P1 [天文学];

学科分类号：

0704 ;

摘要：

We discuss the phenomenology of an MeV-scale Dirac fermion coupled to the Standard Model through a dark photon with kinetic mixing with the electromagnetic field. We compute the dark matter relic density and explore the interplay of direct detection and accelerator searches for dark photons. We show that precise measurements of the temperature and polarization power spectra of the Cosmic Microwave Background Radiation lead to stringent constraints, leaving a small window for the thermal production of this MeV dark matter candidate. The forthcoming MeV gamma-ray telescope e-ASTROGAM will offer important and complementary opportunities to discover dark matter particles with masses below similar to 10 MeV. Lastly, we discuss how a late-time inflation episode and freeze-in production could conspire to yield the correct relic density while being consistent with existing and future constraints.

引用

页数：23

共 151 条

[1] Direct dark matter search by annual modulation in XMASS-I [J].

Abe, K. ;

Hiraide, K. ;

Ichimura, K. ;

Kishimoto, Y. ;

Kobayashi, K. ;

Kobayashi, M. ;

Moriyama, S. ;

Nakahata, M. ;

Norita, T. ;

Ogawa, H. ;

Sekiya, H. ;

Takachio, O. ;

Takeda, A. ;

Yamashita, M. ;

Yang, B. S. ;

Kim, N. Y. ;

Kim, Y. D. ;

Tasaka, S. ;

Fushimi, K. ;

Liu, J. ;

Martens, K. ;

Suzuki, Y. ;

Xu, B. D. ;

Fujita, R. ;

Hosokawa, K. ;

Miuchi, K. ;

Onishi, Y. ;

Oka, N. ;

Takeuchi, Y. ;

Kim, Y. H. ;

Lee, J. S. ;

Lee, K. B. ;

Lee, M. K. ;

Fukuda, Y. ;

Itow, Y. ;

Kegasa, R. ;

Kobayashi, K. ;

Masuda, K. ;

Takiya, H. ;

Nishijima, K. ;

Nakamura, S. .

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[2] A search for dark matter in the Galactic halo with HAWC [J].

Abeysekara, A. U. ;

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Alvarez, C. ;

Arceo, R. ;

Arteaga-Velazquez, J. C. ;

Avila Rojas, D. ;

Solares, H. A. Ayala ;

Becerril, A. ;

Belmont-Moreno, E. ;

BenZvi, S. Y. ;

Bernal, A. ;

Brisbois, C. ;

Caballero-Mora, K. S. ;

Capistran, T. ;

Carraminana, A. ;

Casanova, S. ;

Castillo, M. ;

Cotti, U. ;

Cotzomi, J. ;

De Leon, C. ;

De la Fuente, E. ;

Diaz Hernandez, R. ;

Dingus, B. L. ;

DuVernois, M. A. ;

Diaz-Velez, J. C. ;

Engel, K. ;

Enriquez-Rivera, O. ;

Fiorino, D. W. ;

Fleischhack, H. ;

Fraija, N. ;

Garcia-Gonzalez, J. A. ;

Garfias, F. ;

Gonzalez Munoz, A. ;

Gonzalez, M. M. ;

Goodman, J. A. ;

Hampel-Arias, Z. ;

Harding, J. P. ;

Hernandez, S. ;

Hernandez-Almada, A. ;

Hueyotl-Zahuantitla, F. ;

Huntemeyer, P. ;

Iriarte, A. ;

Jardin-Blicq, A. ;

Joshi, V. ;

Kaufmann, S. ;

Lauer, R. J. ;

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[3] Dark photon search in the mass range between 1.5 and 3.4 GeV/c [J].

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Amoroso, A. ;

An, F. F. ;

An, Q. ;

Bai, J. Z. ;

Ferroli, R. Baldini ;

Ban, Y. ;

Bennett, D. W. ;

Bennett, J. V. ;

Bertani, M. ;

Bettoni, D. ;

Bian, J. M. ;

Bianchi, F. ;

Boger, E. ;

Boyko, I. ;

Briere, R. A. ;

Cai, H. ;

Cai, X. ;

Cakir, O. ;

Calcaterra, A. ;

Cao, G. F. ;

Cetin, S. A. ;

Chang, J. F. ;

Chelkov, G. ;

Chen, G. ;

Chen, H. S. ;

Chen, H. Y. ;

Chen, J. C. ;

Chen, M. L. ;

Chen, S. J. ;

Chen, X. ;

Chen, X. R. ;

Chen, Y. B. ;

Cheng, H. P. ;

Chu, X. K. ;

Cibinetto, G. ;

Dai, H. L. ;

Dai, J. P. ;

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Deng, Z. Y. ;

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Atrio-Barandela, F. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartlett, J. G. ;

Battaner, E. ;

Benabed, K. ;

Benoit, A. ;

Benoit-Levy, A. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bobin, J. ;

Bock, J. J. ;

Bonaldi, A. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Bridges, M. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

Cappellini, B. ;

Cardoso, J. -F. ;

Catalano, A. ;

Challinor, A. ;

Chamballu, A. ;

Chary, R. -R. ;

Chen, X. ;

Chiang, H. C. ;

Chiang, L. -Y ;

Christensen, P. R. ;

Church, S. ;

Clements, D. L. ;

Colombi, S. ;

Colombo, L. P. L. ;

Couchot, F. ;

Coulais, A. ;

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Curto, A. ;

Cuttaia, F. ;

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[6] Further search for the decay K+→π+ν(ν)over-bar in the momentum region P<195 MeV/c -: art. no. 037102 [J].

Adler, S ;

Aoki, M ;

Ardebili, M ;

Atiya, MS ;

Bazarko, AO ;

Bergbusch, PC ;

Bhuyan, B ;

Blackmore, EW ;

Bryman, DA ;

Chiang, IH ;

Convery, MR ;

Diwan, MV ;

Frank, JS ;

Haggerty, JS ;

Inagaki, T ;

Ito, MM ;

Jain, V ;

Jaffe, DE ;

Kabe, S ;

Kazumori, M ;

Kettell, SH ;

Kitching, P ;

Kobayashi, M ;

Komatsubara, TK ;

Konaka, A ;

Kuno, Y ;

Kuriki, M ;

Kycia, TF ;

Li, KK ;

Littenberg, LS ;

Macdonald, JA ;

McPherson, RA ;

Meyers, PD ;

Mildenberger, J ;

Muramatsu, N ;

Nakano, T ;

Ng, C ;

Ng, S ;

Numao, T ;

Otomo, A ;

Poutissou, JM ;

Poutissou, R ;

Redlinger, G ;

Sasaki, T ;

Sato, T ;

Shinkawa, T ;

Shoemaker, FC ;

Smith, AJS ;

Soluk, R ;

Stone, JR .

PHYSICAL REVIEW D, 2004, 70 (03) :037102-1

[7] Results from the Super Cryogenic Dark Matter Search Experiment at Soudan [J].

Agnese, R. ;

Aramaki, T. ;

Arnquist, I. J. ;

Baker, W. ;

Balakishiyeva, D. ;

Banik, S. ;

Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Binder, T. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

Chang, Y. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Fascione, E. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Germond, R. ;

Ghaith, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hong, Z. ;

Hoppe, E. W. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Iyer, V. ;

Jardin, D. ;

Jastram, A. ;

Jena, C. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. ;

Loer, B. ;

Asamar, E. Lopez .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2018, 120 (06)

[8] Projected sensitivity of the SuperCDMS SNOLAB experiment [J].

Agnese, R. ;

Anderson, A. J. ;

Aramaki, T. ;

Arnquist, I. ;

Baker, W. ;

Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Borgland, A. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

Cartaro, C. ;

Cerdeno, D. G. ;

Chagani, H. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Esteban, L. ;

Fallows, S. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Ghaith, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hofer, T. ;

Holmgren, D. ;

Hong, Z. ;

Hoppe, E. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Iyer, V. ;

Jardin, D. ;

Jastram, A. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. ;

Leder, A. ;

Loer, B. .

PHYSICAL REVIEW D, 2017, 95 (08)

[9] New Results from the Search for Low-Mass Weakly Interacting Massive Particles with the CDMS Low Ionization Threshold Experiment [J].

Agnese, R. ;

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Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

Billard, J. ;

Borgland, A. ;

Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

Bunker, R. ;

Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

Cerdeno, D. G. ;

Chagani, H. ;

Chen, Y. ;

Cooley, J. ;

Cornell, B. ;

Cushman, P. ;

Daal, M. ;

Di Stefano, P. C. F. ;

Doughty, T. ;

Esteban, L. ;

Fallows, S. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Ghaith, M. ;

Godfrey, G. L. ;

Golwala, S. R. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hofer, T. ;

Holmgren, D. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Jardin, D. ;

Jastram, A. ;

Kamaev, O. ;

Kara, B. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Leder, A. ;

Loer, B. ;

Lopez Asamar, E. ;

Lukens, P. ;

Mahapatra, R. ;

Mandic, V. .

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[10] First Direct-Detection Constraints on eV-Scale Hidden-Photon Dark Matter with DAMIC at SNOLAB [J].

Aguilar-Arevalo, A. ;

Amidei, D. ;

Bertou, X. ;

Butner, M. ;

Cancelo, G. ;

Castaneda Vazquez, A. ;

Cervantes Vergara, B. A. ;

Chavarria, A. E. ;

Chavez, C. R. ;

de Mello Neto, J. R. T. ;

D'Olivo, J. C. ;

Estrada, J. ;

Fernandez Moroni, G. ;

Gaior, R. ;

Guardincerri, Y. ;

Hernandez Torres, K. P. ;

Izraelevitch, F. ;

Kavner, A. ;

Kilminster, B. ;

Lawson, I. ;

Letessier-Selvon, A. ;

Liao, J. ;

Matalon, A. ;

Mello, V. B. B. ;

Molina, J. ;

Privitera, P. ;

Ramanathan, K. ;

Sarkis, Y. ;

Schwarz, T. ;

Settimo, M. ;

Sofo Haro, M. ;

Thomas, R. ;

Tiffenberg, J. ;

Tiouchichine, E. ;

Torres Machado, D. ;

Trillaud, F. ;

You, X. ;

Zhou, J. .

PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2017, 118 (14)

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共 151 条

[1] Direct dark matter search by annual modulation in XMASS-I [J].

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Hiraide, K. ;

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Kishimoto, Y. ;

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Norita, T. ;

Ogawa, H. ;

Sekiya, H. ;

Takachio, O. ;

Takeda, A. ;

Yamashita, M. ;

Yang, B. S. ;

Kim, N. Y. ;

Kim, Y. D. ;

Tasaka, S. ;

Fushimi, K. ;

Liu, J. ;

Martens, K. ;

Suzuki, Y. ;

Xu, B. D. ;

Fujita, R. ;

Hosokawa, K. ;

Miuchi, K. ;

Onishi, Y. ;

Oka, N. ;

Takeuchi, Y. ;

Kim, Y. H. ;

Lee, J. S. ;

Lee, K. B. ;

Lee, M. K. ;

Fukuda, Y. ;

Itow, Y. ;

Kegasa, R. ;

Kobayashi, K. ;

Masuda, K. ;

Takiya, H. ;

Nishijima, K. ;

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[2] A search for dark matter in the Galactic halo with HAWC [J].

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Caballero-Mora, K. S. ;

Capistran, T. ;

Carraminana, A. ;

Casanova, S. ;

Castillo, M. ;

Cotti, U. ;

Cotzomi, J. ;

De Leon, C. ;

De la Fuente, E. ;

Diaz Hernandez, R. ;

Dingus, B. L. ;

DuVernois, M. A. ;

Diaz-Velez, J. C. ;

Engel, K. ;

Enriquez-Rivera, O. ;

Fiorino, D. W. ;

Fleischhack, H. ;

Fraija, N. ;

Garcia-Gonzalez, J. A. ;

Garfias, F. ;

Gonzalez Munoz, A. ;

Gonzalez, M. M. ;

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Bertani, M. ;

Bettoni, D. ;

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Bianchi, F. ;

Boger, E. ;

Boyko, I. ;

Briere, R. A. ;

Cai, H. ;

Cai, X. ;

Cakir, O. ;

Calcaterra, A. ;

Cao, G. F. ;

Cetin, S. A. ;

Chang, J. F. ;

Chelkov, G. ;

Chen, G. ;

Chen, H. S. ;

Chen, H. Y. ;

Chen, J. C. ;

Chen, M. L. ;

Chen, S. J. ;

Chen, X. ;

Chen, X. R. ;

Chen, Y. B. ;

Cheng, H. P. ;

Chu, X. K. ;

Cibinetto, G. ;

Dai, H. L. ;

Dai, J. P. ;

Dbeyssi, A. ;

Dedovich, D. ;

Deng, Z. Y. ;

Denig, A. ;

Denysenko, I. ;

Destefanis, M. ;

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[5] Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters [J].

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Ashdown, M. ;

Atrio-Barandela, F. ;

Aumont, J. ;

Baccigalupi, C. ;

Banday, A. J. ;

Barreiro, R. B. ;

Bartlett, J. G. ;

Battaner, E. ;

Benabed, K. ;

Benoit, A. ;

Benoit-Levy, A. ;

Bernard, J. -P. ;

Bersanelli, M. ;

Bielewicz, P. ;

Bobin, J. ;

Bock, J. J. ;

Bonaldi, A. ;

Bond, J. R. ;

Borrill, J. ;

Bouchet, F. R. ;

Bridges, M. ;

Bucher, M. ;

Burigana, C. ;

Butler, R. C. ;

Calabrese, E. ;

Cappellini, B. ;

Cardoso, J. -F. ;

Catalano, A. ;

Challinor, A. ;

Chamballu, A. ;

Chary, R. -R. ;

Chen, X. ;

Chiang, H. C. ;

Chiang, L. -Y ;

Christensen, P. R. ;

Church, S. ;

Clements, D. L. ;

Colombi, S. ;

Colombo, L. P. L. ;

Couchot, F. ;

Coulais, A. ;

Crill, B. P. ;

Curto, A. ;

Cuttaia, F. ;

Danese, L. ;

Davies, R. D. .

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[6] Further search for the decay K+→π+ν(ν)over-bar in the momentum region P<195 MeV/c -: art. no. 037102 [J].

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Bergbusch, PC ;

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Blackmore, EW ;

Bryman, DA ;

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Diwan, MV ;

Frank, JS ;

Haggerty, JS ;

Inagaki, T ;

Ito, MM ;

Jain, V ;

Jaffe, DE ;

Kabe, S ;

Kazumori, M ;

Kettell, SH ;

Kitching, P ;

Kobayashi, M ;

Komatsubara, TK ;

Konaka, A ;

Kuno, Y ;

Kuriki, M ;

Kycia, TF ;

Li, KK ;

Littenberg, LS ;

Macdonald, JA ;

McPherson, RA ;

Meyers, PD ;

Mildenberger, J ;

Muramatsu, N ;

Nakano, T ;

Ng, C ;

Ng, S ;

Numao, T ;

Otomo, A ;

Poutissou, JM ;

Poutissou, R ;

Redlinger, G ;

Sasaki, T ;

Sato, T ;

Shinkawa, T ;

Shoemaker, FC ;

Smith, AJS ;

Soluk, R ;

Stone, JR .

PHYSICAL REVIEW D, 2004, 70 (03) :037102-1

[7] Results from the Super Cryogenic Dark Matter Search Experiment at Soudan [J].

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Aramaki, T. ;

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Barker, D. ;

Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

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Cushman, P. ;

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Hsu, L. ;

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Jastram, A. ;

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Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

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Kurinsky, N. A. ;

Loer, B. ;

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Thakur, R. Basu ;

Bauer, D. A. ;

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Bowles, M. A. ;

Brink, P. L. ;

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Daal, M. ;

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Fallows, S. ;

Figueroa-Feliciano, E. ;

Fritts, M. ;

Gerbier, G. ;

Ghaith, M. ;

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Golwala, S. R. ;

Hall, J. ;

Harris, H. R. ;

Hofer, T. ;

Holmgren, D. ;

Hong, Z. ;

Hoppe, E. ;

Hsu, L. ;

Huber, M. E. ;

Iyer, V. ;

Jardin, D. ;

Jastram, A. ;

Kelsey, M. H. ;

Kennedy, A. ;

Kubik, A. ;

Kurinsky, N. A. ;

Leder, A. ;

Loer, B. .

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[9] New Results from the Search for Low-Mass Weakly Interacting Massive Particles with the CDMS Low Ionization Threshold Experiment [J].

Agnese, R. ;

Anderson, A. J. ;

Aramaki, T. ;

Asai, M. ;

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Barker, D. ;

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Borgland, A. ;

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Cabrera, B. ;

Caldwell, D. O. ;

Calkins, R. ;

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