[論文レビュー] Asymmetric Dark Matter in the Sun and the Diphoton Excess at the LHC

P. S. Bhupal Dev, Daniele Teresi|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、スカラーメディエーターとパラスカラーメディエーターを備えた、非対称なダークマター（ADM）の最小限の簡略化モデルを提案する。このモデルは、運動量に依存する核子結合を通じて太陽の異常を説明するとともに、LHCでの750 GeVの二光子過剰を説明する。質量が約750 GeVのパラスカラーは、主にADMペアに崩壊し、自然に大きな幅（約45 GeV）を示し、ループレベルの結合を通じて二光子崩壊率を増幅する。一方、GeVスケールの軽いスカラーメディエーターは、運動量に依存するADM-核子相互作用を媒介する。

ABSTRACT

It has been recently pointed out that a momentum-dependent coupling of the asymmetric Dark Matter (ADM) with nucleons can explain the broad disagreement between helioseismological observables and the predictions of standard solar models. In this paper, we propose a minimal simplified ADM model consisting of a scalar and a pseudoscalar mediator, in addition to a Dirac fermionic DM, for generating such momentum-dependent interactions. Remarkably, the pseudoscalar with mass around 750 GeV can simultaneously explain the solar anomaly and the recent diphoton excess observed by both ATLAS and CMS experiments in the early $\sqrt s=13$ TeV LHC data. In this framework, the total width of the resonance is naturally large, as suggested by the ATLAS experiment, since the resonance mostly decays to the ADM pair. The model predicts the existence of a new light scalar in the GeV range, interacting with quarks, and observable dijet, monojet and $t\bar{t}$ signatures for the 750 GeV resonance at the LHC.

研究の動機と目的

• 運動量に依存する核子への結合を有する非対称ダークマター（ADM）を用いて、ヘルモセイズミックデータと標準太陽モデルの間の長年の不一致を解消すること。
• LHCの初期Run 2データで観測された750 GeVの二光子過剰を、主にADMペアに崩壊するパラスカラー共鳴状態によって説明すること。
• 太陽物理学の異常とLHC共鳴信号を統合する、唯一2つの新しい場（スカラーとパラスカラー）からなる最小で簡略化されたモデルを構築すること。
• LHCのモノジェット、ジジェット、二光子制約に加え、CMBおよび摂動論的制約と整合するパラメータ空間を同定すること。

提案手法

• 実スカラーメディエーターと実パラスカラーメディエーターに結合するディラックフェルミオン的ダークマター粒子を導入し、それらの間に小さな混合角を導入する。
• パラスカラーの質量固有状態を用いて750 GeVの二光子共鳴状態を説明し、その大きな幅（約45 GeV）が主にADMペアへの崩壊によって生じることを示す。
• スカラーメディエーターを介して運動量に依存するADMと核子の結合を実装し、GeVスケールでの太陽異常を説明する。
• 電気双極子モーメント（EDM）実験からの強い制約を避けるために、SMクォークへの結合を小さく保つ。これにより、パラスカラーはスカラーメディエーターとの混合を通じてLHCで生成可能になる。
• 二光子部分幅を自由パラメータとしてパrameterizeし、混合角-質量平面における許容領域を探索する。同時に摂動論的制約と宇宙論的制約を満たす。
• 全崩壊幅の式を用いてADM結合強度（h ≈ 1.2）を固定し、観測された共鳴幅と整合することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動量に依存するADM-核子結合は、太陽の元素組成の問題とヘルモセイズミックの不一致を解消できるか？
• RQ2 同じモデルが、ATLASとCMSが観測したLHCでの750 GeVの二光子過剰を同時に説明できるか？
• RQ3 750 GeV共鳴状態の全幅を約45 GeVに大きくするには、主にADMペアへの崩壊が可能か？
• RQ4 LHCのモノジェット、ジジェット、二光子探索に加え、CMBおよび摂動論的制約から得られるパラメータ空間の制約は何か？
• RQ5 このモデルは、LHCで観測可能なダイジェット、モノジェット、トップ反トップ共鳴状態のシグナルを予測できるか？

主な発見

• 質量が約750 GeVのパラスカラー媒介子は、LHCでの二光子過剰を説明可能であり、全幅が約45 GeVであり、ATLASデータと整合的である。
• 本モデルは、GeVスケールの軽いスカラーメディエーターを予測し、運動量に依存するADM-核子相互作用を媒介することで、太陽物理学の異常を解消する。
• ジジェットおよびCMB制約の下では、大きな幅の要請を緩和しても、二光子部分幅は0.5 MeV以上に制限される。
• 摂動論的制約、CMB、ジジェット、モノジェット、二光子制約をすべて満たす許容パラメータ空間が同定され、図3にΓγγ = 0.25 GeVおよび1 GeVの領域が示されている。
• 本モデルは、LHCで観測可能なダイジェット、モノジェット、およびt̄tシグナルを予測する。もし750 GeV共鳴状態が確認された場合、これはADM仮説を検証する手がかりとなる。
• 二光子信号がさらなるデータで消えたとしても、軽いパラスカラー状態は依然として妥当であり、両方の媒介子が軽い場合（例：h = 0.1、α = 0.05）に大きな許容パラメータ空間が存在する。