[論文レビュー] Fermion Singlet Dark Matter in a Pseudoscalar Dark Matter Portal

Bastián Díaz Sáez, Patricio Escalona+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、擬スカラー暗黒物質ポータルにおける二成分の暗黒物質モデルを提案する。ディラックフェルミオンと実擬スカラーシングレットの両方が、消滅、変換、半消滅を含むフリーズアウトを通じて、宇宙マイクロ波背景放射の残り滓密度に寄与する。モデルは追加の離散的対称性を必要とせず、パリティ対称性によって安定化される。観測された残り滓密度、非可視ヒッグス崩壊、直接的・間接的検出制約を満たす3つの妥当なパラメータ領域を同定し、特にフェルミ・LATやCTAによるボックス型ガンマ線スペクトルがフェルミオンDM成分に非常に感受的であることが判明した。

ABSTRACT

We explore a simple extension to the Standard Model containing two gauge singlets: a Dirac fermion and a real pseudoscalar. In some regions of the parameter space both singlets are stable without the necessity of additional symmetries, then becoming a possible two-component dark matter model. We study the relic abundance production via freeze-out, with the latter determined by annihilations, conversions and semi-annihilations. Experimental constraints from invisible Higgs decay, dark matter relic abundance and direct/indirect detection are studied. We found three viable regions of the parameter space, and the model is sensitive to indirect searches.

研究の動機と目的

• 標準模型の最小限の拡張として、ディラックフェルミオンと実擬スカラーシングレットを二成分の暗黒物質候補として探求すること。
• 追加の離散的対称性を課さずに、パリティ対称性に依存して両シングレットが安定な暗黒物質成分として成立するかを検討すること。
• 顕著なヒッグスポータルおよびダークセクター結合を有する状況下で、消滅、変換、半消滅を含むフリーズアウトによる残り滓密度生成を分析すること。
• 非可視ヒッグス崩壊の幅制約、XENON1Tによる直接検出制約、Fermi-LATおよびCTAによる間接検出（ガンマ線）制約、AMS-02による反陽子制約を用いてモデルを制約すること。

提案手法

• モデルは、ディラックフェルミオン ψ、実擬スカラー s、ヒッグスポータル結合 λhs、ダークセクター結合 gψ を含むラグランジアンで定式化され、ψ → γ⁰ψ および s → −s の下でパリティ対称性により安定化される。
• 二成分のフリーズアウトシナリオにおけるボルツマン方程式を用いて残り滓密度を計算し、ψψ̄ → s+h、ψψ̄ → s+s、s+s → ψψ̄ などの2→2過程の熱平均断面積を用いる。
• 微小なOMEGAS 5.2.7a を用いて断面積を計算し、特に半消滅および変換過程についてs波近似における解析的表現を導出する。
• 非可視ヒッグス崩壊幅の上限、XENON1Tによる直接検出制約、Fermi-LATおよびCTAのガンマ線データ、AMS-02による反陽子測定を用いて現象的制約を適用する。
• パラメータ空間のスキャンを実施し、半消滅および変換の役割が残り滓密度に与える影響に特に注目して、妥当な領域を同定する。
• 間接検出信号を分析し、フェルミオンDMのsチャネル半消滅から生じるボックス型ガンマ線スペクトルに焦点を当て、観測制約と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 追加の離散的対称性を課さずに、ディラックフェルミオンと実擬スカラーシングレットが最小限の標準模型拡張において安定な暗黒物質成分として共存可能か？
• RQ2 顕著なヒッグスおよびダークセクター結合を有するフリーズアウトシナリオにおいて、消滅、変換、半消滅が二成分の残り滓密度にどのように寄与するか？
• RQ3 非可視ヒッグス崩壊、直接検出（XENON1T）、および間接検出（Fermi-LAT、CTA、AMS-02）の制約を満たす妥当なパラメータ領域は何か？
• RQ4 フェルミオンDMの半消滅から生じるボックス型ガンマ線スペクトルに、モデルがどれほど感受的か？
• RQ5 ダークセクター結合 gψ の高値がUV完備化および直接検出の1ループ振幅に与える影響は何か？

主な発見

• 観測された残り滓密度、非可視ヒッグス崩壊制約、XENON1Tによる直接検出制約を満たす3つの妥当なパラメータ領域が存在する。
• 半消滅およびDM変換が、擬スカラーの残り滓密度を著しく低減させ、数TeVまでの擬スカラー質量に対してもXENON1T制約を回避可能にする。
• フェルミオンDMは500–700 GeV以上、およびそれ以上の質量を有する可能性があり、AMS-02反陽子制約により約500–700 GeV未満の質量は除外される。
• フェルミオンDMのsチャネル半消滅から生じるボックス型ガンマ線スペクトルは、CTAおよびFermi-LATで検出可能であり、現在のパラメータ空間では矛盾は認められないが、検出感度は妥当領域の一部に限られる。
• 高値のダークセクター結合 gψ はランダウ極を引き起こす可能性があり、UV完備化の必要性を示唆する。また、1ループ直接検出振幅を強化し、パラメータ空間をさらに制約する可能性がある。