[論文レビュー] Explaining the GeV antiproton/$γ-$ray excesses and W-boson mass anomaly in an inert two Higgs doublet model

Chengrui Zhu, Mingyang Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、不活性2HDM（i2HDM）が、AMS-02によるGeV級反陽子過剰、Fermi-LATによる銀河中心γ線過剰、および7σのWボソン質量測定のずれを同時に説明可能であると提唱している。反陽子に対しては、時間依存の陽子データで制約された電荷符号依存型3次元太陽モジュレーションモデルを採用し、γ線に対してはデータ駆動型スペクトルテンプレート解析を用いることで、一貫したダークマターのパラメータが得られた：40–80 GeVのダークマター粒子が$SS\to WW^{*}$を経由して散乱し、断面積が$O(10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1})$程度である。この理論的枠組み内で、3つの異常を一括して説明可能である。

ABSTRACT

For the newly discovered $W$-boson mass anomaly, one of the simplest dark matter (DM) models that can account for the anomaly without violating other astrophysical/experimental constraints is the inert two Higgs doublet model, in which the DM mass ($m_{S}$) is found to be within $\sim 54-74$ GeV. In this model, the annihilation of DM via $SS o b\bar{b}$ and $SS o WW^{*}$ would produce antiprotons and gamma rays, and may account for the excesses identified previously in both particles. Motivated by this, we re-analyze the AMS-02 antiproton and Fermi-LAT Galactic center gamma-ray data. For the antiproton analysis, the novel treatment is the inclusion of the charge-sign-dependent three-dimensional solar modulation model as constrained by the time-dependent proton data. We find that the excess of antiprotons is more distinct than previous results based on the force-field solar modulation model. The interpretation of this excess as the annihilation of $SS o WW^{*}$ ($SS o b\bar{b}$) requires a DM mass of $\sim 40-80$ ($40-60$) GeV and a velocity-averaged cross section of $O(10^{-26})~{ m cm^3~s^{-1}}$. As for the $γ$-ray data analysis, besides adopting the widely-used spatial template fitting, we employ an orthogonal approach with a data-driven spectral template analysis. The fitting to the GeV $γ$-ray excess yields DM model parameters overlapped with those to fit the antiproton excess via the $WW^{*}$ channel. The consistency of the DM particle properties required to account for the $W$-boson mass anomaly, the GeV antiproton excess, and the GeV $γ$-ray excess suggest a common origin of them.

研究の動機と目的

• 不活性2ヒッグスダブルレットモデル（i2HDM）が、AMS-02によるGeV級反陽子過剰、Fermi-LATによる銀河中心γ線過剰、および7σのWボソン質量測定のずれを同時に説明可能かどうかを検証すること。
• 時間依存のAMS-02陽子データで制約された電荷符号依存型3次元太陽モジュレーションモデルを組み込むことで、反陽子解析を改善すること。
• 空間的テンプレートに依存しないように、背景成分をスペクトル的性質のみでモデル化するデータ駆動型スペクトルテンプレート解析をγ線に適用し、システムティックバイアスを低減すること。
• 空間的テンプレートフィッティングとスペクトル的テンプレート解析の両方を用いて結果をクロスバリデーションし、ダークマター解釈の妥当性を確認すること。
• 3つの天体物理学的および衝突実験的異常を同時に満たす一貫したダークマターパラメータ（$m_S$, $\langle \sigma v \rangle$）を同定すること。

提案手法

• 時間依存のAMS-02陽子データで制約された電荷符号依存型3次元太陽モジュレーションモデルを反陽子に適用し、従来の力場近似よりも精度を向上させた。
• Fermi-LATγ線データに対して、データ駆動型スペクトルテンプレート解析を適用し、背景成分をそのスペクトル的性質のみでモデル化することで、システムティックバイアスを低減した。
• 銀河中心過剰（GCE）に一般化されたナバロ＝フレンク＝ホワイト（gNFW）プロファイルを用い、バレー領域の「GCEに類似した」成分に対しても補完的なgNFWを採用した。
• Ackermannら（2012）の128個の銀河的拡散放射テンプレートを用い、π⁰崩壊とブレムストラール放出を、対象となる星間ガスに起因する同じ空間的形状を持つため、1つの成分に統合した。
• 露出マップとFermi-LATPSFを用いて、機器の角度分解能を考慮した予測光子数を計算した。
• 等方的成分およびFermi Bubble成分を、低構造領域（$|b| < -2^\circ$）から導出されたガウス的事前分布を用いて制約し、背景モデルの妥当性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不活性2ヒッグスダブルレットモデル（i2HDM）は、AMS-02が観測したGeV級反陽子過剰、Fermi-LATによる銀河中心γ線過剰、および7σのWボソン質量測定のずれを同時に説明可能か？
• RQ2 電荷符号依存型3次元太陽モジュレーションモデルを組み込むことで、従来の力場近似と比較して反陽子過剰の有意性が顕著に変化するか？
• RQ3 データ駆動型スペクトルテンプレート解析により、空間的テンプレートフィッティングと同等のダークマターパラメータが得られ、モデル依存性が低減されるか？
• RQ4 $SS\to WW^{*}$および$SS\to b\bar{b}$過程を介して、反陽子およびγ線データを同時に適合させるために、好ましいダークマター質量および散乱断面積は何か？
• RQ5 Wボソン質量異常を説明するために必要なダークマターパラメータは、反陽子およびγ線過剰を説明するために必要なパラメータと整合的か？

主な発見

• 電荷符号依存型3次元太陽モジュレーションモデルを用いた反陽子解析では、従来の力場近似と比較して、反陽子過剰の有意性が高まる。
• 反陽子過剰は、ダークマター質量が$40-80$ GeV、速度平均断面積が$O(10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1})$程度の$SS\to WW^{*}$散乱によって最もよく説明される。
• $SS\to b\bar{b}$過程でも、ダークマター質量が$40-60$ GeV、同様の断面積で反陽子過剰を説明できる。
• Fermi-LATデータのスペクトルテンプレート解析により、銀河中心過剰のスペクトルエネルギー分布が$WW^{*}$チャネルと整合的であり、反陽子解析結果と重複する。
• Wボソン質量異常を説明するために必要なダークマターパラメータ（$m_S \sim 54-74$ GeV）は、反陽子およびγ線過剰を説明するために必要なパラメータと完全に整合する。
• 統合的解析により、Wボソン質量異常、GeV級反陽子過剰、およびGeV級γ線過剰が、i2HDMの枠組み内で共通の起源を持つことが支持された。