[論文レビュー] Gamma ray signals of the annihilation of Higgs-portal singlet dark matter

Frederick S. Sage, Rainer Dick|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、ヒッグス・ポータル付帯のシングレット暗黒物質（スカラおよびベクトル型）からのガンマ線信号を調査し、散乱生成物による間接検出に焦点を当てる。65 GeVのシングレットは銀河中心のガンマ線過剰を説明可能であるが、直接検出の制約と矛盾する。一方、250–1000 GeVのシングレットは、Fermi-LATが観測した等方的ガンマ線背景と直接検出の制約の両方に整合する。

ABSTRACT

This article is an exploration of gamma ray signals of annihilating Higgs-portal singlet scalar and vector dark matter. Gamma ray signals are considered in the context of contributions from annihilations of singlets in the galactic halo to the Isotropic Gamma Ray Background (IGRB), in the context of the Galactic center excess, and in the context of observations of dwarf spheroidal galaxies. We find that Higgs-portal singlets of both species with a mass of $~$65 GeV can explain the Galactic center excess with reasonable accuracy, but that this mass range is in tension with current direct detection bounds. We also find that singlets in the mass range of 250-1000 GeV are consistent with both the Fermi-LAT IGRB observations and direct detection bounds. Additionally, bounds from gamma ray observations of the dwarf spheroidal galaxy Segue I are translated into bounds on the Higgs-portal couplings.

研究の動機と目的

• ヒッグス・ポータル付帯のシングレットスカラおよびベクトル暗黒物質が観測可能なガンマ線信号の源として実現可能かどうかを評価すること。
• これらのモデルがFermi-LATが検出した銀河中心のガンマ線過剰を説明できるかどうかを評価すること。
• XENON100やLUXなどの直接検出実験からの制約と、等方的ガンマ線背景（IGRB）の観測結果との整合性を検証すること。
• ガンマ線観測からセグエ・Iという矮星銀河のヒッグス・ポータル結合定数に制約を導出すること。
• Fermi-LAT、MAGIC、VERITASからの観測データと理論予測を比較すること。

提案手法

• 標準模型のヒッグス粒子とカップリングするスカラ（S）およびベクトル（V）シングレット場を有する最小限のヒッグス・ポータルモデルを用いる。カップリングは $\eta_S S^2 H^\dagger H$ および $\eta_V V_\mu V^\mu H^\dagger H$ で記述される。
• ユニタリガージュを適用してラグランジアンを簡略化し、ヒッグス粒子の場 h とその質量を用いて相互作用を表現する。
• 有効場理論とブレイト・ヴァイナー伝播子を用いて、相対論的散乱断面積の一次近似を計算する。
• ループ誘導効果的カップリングを用いて、$\gamma\gamma$、$f\bar{f}$、$ZZ$、$WW$、$hh$ 終状態への直接散乱からのガンマ線スペクトルを計算する。
• Fermi-LATのデータを用いて、銀河ハロー、銀河中心、等方的背景からの総ガンマ線フラックスを評価する。
• 予測されたフラックスを、セグエ・Iからの観測制約（MAGICおよびVERITAS）と直接検出の限界（XENON100、LUX）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が約65 GeVのヒッグス・ポータル付帯のシングレットスカラおよびベクトル暗黒物質は、観測された銀河中心のガンマ線過剰を説明できるか？
• RQ2 ヒッグス・ポータル付帯のシングレットからの予測されたガンマ線フラックスは、Fermi-LATが測定した等方的ガンマ線背景（IGRB）測定値とどのように比較されるか？
• RQ3 セグエ・Iという矮星銀河からのガンマ線観測から導かれるヒッグス・ポータル結合定数の制約は何か？
• RQ4 ヒッグス・ポータル付帯のシングレットモデルは、現在のXENON100およびLUXからの直接検出の制約とどの程度整合するか？
• RQ5 どの質量範囲のヒッグス・ポータル付帯のシングレットが、間接検出（ガンマ線）、直接検出、IGRB観測の三つすべてと同時に整合するか？

主な発見

• 質量65 GeVのヒッグス・ポータル付帯のシングレットは、妥当な精度で銀河中心のガンマ線過剰を説明可能であるが、XENON100およびLUXからの現在の直接検出制約と矛盾する。
• 250–1000 GeVの質量範囲のシングレットは、Fermi-LATが観測した等方的ガンマ線背景（IGRB）観測結果と直接検出の制約の両方に整合する。
• セグエ・Iからのガンマ線観測から導かれるヒッグス・ポータル結合定数の制約は、熱的制約と照合され、高質量領域では整合性が確認される。
• 効果的ヒッグス-光子カップリングを用いて $\gamma\gamma$ への散乱断面積を計算し、完全なループ積分を実行せずに効率的な推定が可能になる。
• モデルは、低質量では光子への直接散乱が抑制されることを予測するが、特にベクトルシングレットでは高質量領域で顕著に増加する。
• 直接検出の制約があるにもかかわらず、65 GeV領域は依然として有効な間接検出のターゲットであり、マルチメッセンジャー手法の重要性が強調される。