[論文レビュー] Low Energy Gamma Ray Excess Confronting a Singlet Scalar Extended Inert Doublet Dark Matter Model

Amit Dutta Banik, Debasish Majumdar|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、銀河中心で観測された1–3 GeVの低エネルギーガンマ線過剰を説明するため、シングレットスカラーを導入した不活性ダブルットモデル（SIDM）を提案する。標準模型のヒッグスと混合するシングレットスカラーを導入することで、リリック密度、直接検出制約（XENON、LUX）、$R_{\gamma\gamma}$ におけるLHCの制約、およびフェルミ-LATデータと一致する必要十分な $ \langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}} \sim 1.4{-}2.0 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3/s}$ を満たす31–40 GeVのダークマター候補を実現できる。

ABSTRACT

Recent study of gamma rays originating from the region of galactic centre has confirmed an anomalous $γ$-ray excess within the energy range 1-3 GeV. This can be explained as the consequence of pair annihilation of a 31-40 GeV dark matter into $b \bar b$ with thermal annihilation cross-section $σv \sim 1.4-2.0 imes 10^{-26}~ m{cm^3/s}$. In this work we revisit the Inert Doublet Model (IDM) in order to explain this gamma ray excess. Taking the lightest inert particle (LIP) as a stable DM candidate we show that a 31-40 GeV dark matter derived from IDM will fail to satisfy experimental limits on dark matter direct detection cross-section obtained from ongoing direct detection experiments and is also inconsistent with LHC findings. We show that a singlet extended inert doublet model can easily explain the reported $γ$-ray excess which is as well in agreement with Higgs search results at LHC and other observed results like DM relic density and direct detection constraints.

研究の動機と目的

• 銀河中心から観測された1–3 GeVのガンマ線過剰を、標準不活性ダブルットモデル（IDM）が説明可能かどうかを調査すること。
• 直接検出およびLHCの制約を満たしつつ、観測されたガンマ線過剰を説明できるようにするための標準IDMの限界を特定すること。
• すべての現在の実験的制約と整合する31–40 GeVのダークマター候補を許容する、シングレット拡張IDMを提案すること。
• 拡張モデルが、フェルミ-LATのガンマ線過剰を説明するのに必要な $\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}}$ を再現できることを示すこと。

提案手法

• 真空期待値（VEV）をとらない$Z_2$対称性を持つ不活性ダブルットを有する標準IDMを再検討する。
• プランクデータを用いてダークマターのリリック密度を計算し、観測値と比較する。
• XENONおよびLUX実験からの制約を用いてスピン不変直接検出断面積 $\sigma_{\rm SI}$ を計算する。
• 非ゼロのVEVをとる実スカラー場であるシングレットスカラーを導入し、標準模型のヒッグスと混合することで、新たな物理的スカラー状態を生成する。
• 標準模型のヒッグスと新しいスカラー状態との混合角および結合を導出し、ループ効果を用いて $h_{i} \to \gamma\gamma$ および $h_{i} \to \gamma Z$ の崩壊幅を計算する。
• $b\bar{b}$ からの散乱断面積 $\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}}$ を計算し、その結果として得られるガンマ線フラックスをフェルミ-LAT観測値（1–3 GeV範囲）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 31–40 GeVのダークマター候補を有する標準不活性ダブルットモデル（IDM）は、フェルミ-LATが観測した1–3 GeVのガンマ線過剰を説明可能か？
• RQ2 31–40 GeVのダークマター候補を有するIDMは、XENONおよびLUX実験の最新の直接検出制約を満たすか？
• RQ3 IDMはヒッグス粒子の $R_{\gamma\gamma}$ 信号強度に関するLHCの制約と整合するか？
• RQ4 IDMに実スカラーを追加することで、直接検出およびLHCの制約との矛盾を解消し、必要な $\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}}$ を維持できるか？
• RQ5 拡張モデルは、ダークマターの散乱から生じるガンマ線フラックスが観測された1–3 GeVの過剰と一致するか？

主な発見

• 標準IDMは、31–40 GeVのダークマター候補がXENONおよびLUX実験の直接検出制約に違反するため、1–3 GeVのガンマ線過剰を説明できない。
• IDM候補は、電荷をもつスカラーのループ効果により $h \to \gamma\gamma$ の崩壊率が増幅され、観測限界を超えるため、LHCの $R_{\gamma\gamma}$ 制約に違反する。
• シングレット拡張IDMモデルは、プランクが測定したリリック密度と整合する31–40 GeVのダークマター候補を適切に実現できる。
• 新しいスカラーと標準模型のヒッグスとの混合が小さいため、核子散乱断面積が抑制され、直接検出制約を満たす。
• 拡張モデルは $\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}} \sim 1.4{-}2.0 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3/s}$ を予測し、1–3 GeV範囲の観測されたガンマ線過剰と整合する。
• 弱い結合を持つシングレットスカラーは、$R_{\gamma\gamma}$ 信号強度を抑制し、LHCデータと整合するだけでなく、将来的なコライダーで検出可能である可能性がある。