[論文レビュー] Dark Matter Theories in the Light of Diphoton Excess

H. Han, Shaoming Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 38

ひとこと要約

本稿では、LHCの二光子質量分布の過剰に起因する750 GeVの標準模型（SM）ノーカレントスカラー $φ$ が、DMと標準模型の間の相互作用を媒介する $φ$-ポータルDMモデルを提案する。摂動的制約下で、スカラーおよびディラックフェルミオンDMは400–3000 GeVの質量範囲で妥当であり、ダイレクト検出はループ階層の散乱により抑制されるため、高インテグレーテッドラミニosityのLHCラン2でのマルチジェット＋運動量未検出（missing energy）の最終状態による発見が唯一の可能性となる。

ABSTRACT

A new type of dark matter (DM) theories are proposed in the light of the standard model (SM) singlet scalar $ϕ$ which is responsible for the diphoton excess at the LHC Run 2. In the so-called $ϕ$-portal DM models, after taking into account the LHC constraints and DM direct detection limits, we show that in the perturbative framework DM as either a SM singlet scalar or Dirac fermion can be allowed in a wide mass range between 400 GeV and 3 TeV. The DM can be directly detected in SM multi-jets and missing energy.

研究の動機と目的

• LHCラン2で観測された750 GeVの二光子過剰に整合する可能性のある、妥当なダークマター（DM）モデルの探索。
• 二光子共鳴状態のスカラー $φ$ がDMと標準模型（SM）の間の相互作用を媒介する $φ$-ポータルDMモデルの構築。
• LHCラン1およびラン2のデータ、特に二光子断面積制限およびダイレクト検出制限を用いたDMモデルの制約。
• 摂動的領域におけるスカラーおよびディラックフェルミオンDM候補の妥当性の評価。
• マルチジェット＋運動量未検出の最終状態を通じたLHCでのダイレクトDM検出の可能性の評価。

提案手法

• 750 GeVの質量を持つ標準模型ノーカレントスカラー $φ$、電荷 $Q_\psi = 5/3$ のベクトル型フェルミオン $ψ$、およびスカラーまたはディラックフェルミオンDMを含む有効ラグランジアンを導入。
• DMを安定化するための $Z_2$ 対称性を導入し、ヤコビ係数 $\kappa$ を介した $φ$-ポータル相互作用を実装。
• 二光子信号強度 $\sigma(pp \to \phi \to \gamma\gamma) = (8 \pm 3)$ fb を用いて $y$ および $Q_\psi$ を制約。
• micrOMEGAsを用いてDMの残り質量密度 $\Omega_{\text{DM}}h^2$ を計算し、プランク/WMAPデータと整合するように要件を満たす。
• 標準模型ゲージボソンを含むループダイアグラムを通じて、スピン不変DM核子散乱断面積 $\sigma_{\text{SI}}$ を計算。
• 高インテグレーテッドラミニosityを要件として、$pp \to \text{SMジェット} + \slashed{E}_T$ 反応を通じてLHCラン2での検出可能性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの標準模型ノーカレントスカラー $φ$ は、二光子過剰を説明するとともに、ダークマターへのポータルとして機能可能か？
• RQ2 LHCの制約下で、$φ$-ポータルモデルにおけるスカラーおよびディラックフェルミオンDMの妥当なパラメータ空間は何か？
• RQ3 残り質量密度およびダイレクト検出制限は、ヤコビ係数 $\kappa$ およびDM質量 $m_{\text{DM}}$ をどのように制約するか？
• RQ4 このモデルにおけるダイレクトDM検出は可能か？Xenon1Tや将来のLHCランでの可能性は？
• RQ5 LHCラン2でマルチジェット＋運動量未検出の最終状態を通じてDMを発見できるか？

主な発見

• 摂動的制約下で、スカラーおよびディラックフェルミオンDMは400–3000 GeVの質量範囲で妥当であり、観測されたDMの残り質量密度に一致するように $\kappa$ が調整可能である。
• $φ$-ポータルモデルは、ループ階層の過程を通じてDM核子散乱断面積を弱い相互作用スケール未満に抑制しており、現在のダイレクト検出制限と整合的である。
• XENON100、XENON1T、LUXを含むすべての既存のダイレクト検出制限と整合的であり、Xenon1Tでの発見可能性はないとされる。
• グルーオン融合によるDM対生成は、多数の最終状態を伴うため抑制され、LHCラン2での発見には高インテグレーテッドラミニosityが不可欠である。
• $Q_\psi = 5/3$ の場合、二光子信号強度8 ± 3 fbが再現可能であり、ラン1の制限から $y$ が制約される。
• 摂動的解析は、スカラーDMが約2.5 TeV以上、ディラックフェルミオンDMが400 GeV未塔で破綻する。これは残り質量密度制限によるものである。