[論文レビュー] On-Shell Mediators and Top-Charm Dark Matter Models for the Fermi-LAT Galactic Center Excess

Arvind Rajaraman, Jordan Smolinsky+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、フェルミ-LATが観測した銀河中心のGeVガンマ線過剰を説明するため、トップ–チアムおよびオンシェル・メドレーターのダークマター模型を調査している。40–100 GeVのダークマターがオンシェルのベクトル・メドレーターに散乱し、クォークへと崩壊するモデルは、熱的残存断面積を伴い、観測されたスペクトルと良好に一致する。一方、トップ–チアムおよび準スカラー・メドレーターのモードでは、データに一致させるために非熱的散乱率を必要とする。

ABSTRACT

An excess in gamma-rays from the galactic center observed by the Fermi Large Area Telescope has been proposed as a possible signal of dark matter annihilation. Recently, the Fermi collaboration showed that systematic errors broaden the range of spectral shapes for this excess. We demonstrate fits to this range for (1) flavor-violating annihilations to top-charm pairs and (2) annihilations to on-shell bosonic mediators which decay to Standard Model quarks in a boosted frame. Annihilation of 40 - 100 GeV DM to pairs of spin-1 mediators provide a good fit to the Fermi-LAT spectrum with a normalization consistent with a thermal relic. Top-charm modes and annihilation to three pseudoscalar mediators can fit the spectral shape but typically require non-thermal annihilation cross sections.

研究の動機と目的

• 更新されたシステム的不確実性の範囲内で、フェルミ-LATの銀河中心ガンマ線過剰を説明できる妥当なダークマター模型を探索すること。
• フレーバー破れのトップ–チアム最終状態、またはオンシェル・メドレーターが、観測されたスペクトル形状を再現できるかどうかを評価すること。
• これらの模型が、データに適合させるために熱的残存断面積を必要とするか、あるいは非熱的散乱率を必要とするかを特定すること。
• 直接検出およびコライダー制約を回避しながら、過剰を適合させられるスピン1およびスピン0のメドレーターの妥当性を評価すること。

提案手法

• 著者らは、トップ–チアム対やオンシェルのベクトル／準スカラー・メドレーターを含む、さまざまな最終状態へのダークマター散乱からのガンマ線スペクトルを計算するために、pppcパッケージを用いた。
• これらのスペクトルを、システム的不確実性を考慮したフェルミ-LATが観測した許容スペクトル形状のエンベロープと比較した。
• 熱的残存断面積をベンチマークとして用い、観測されたフラックスの正規化に一致するための必要な散乱断面積を計算した。
• オンシェル・メドレーターの崩壊に対して運動的制約を適用し、位相空間の統合により最終的なガンマ線エネルギースペクトルを導出した。
• s波散乱を考慮するとともに、メドレーター質量がスペクトル形状に与える影響を検討した。
• スペクトル形状の適合に必要な最小エンベロープスケーリングを示す等高線図を作成し、形状の適合性を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップ–チアム最終状態は、システム的不確実性の範囲内でフェルミ-LATの銀河中心過剰を適合させる妥当なスペクトル形状を提供できるか？
• RQ2 クォークへと崩壊するオンシェル・ベクトル・メドレーターは、40–100 GeVのダークマター質量と熱的残存散乱断面積を伴い、観測されたガンマ線スペクトルと良好に一致するか？
• RQ3 三つの準スカラー・メドレーターが、過剰のスペクトル形状を再現できるか。また、その場合の残存密度への影響は何か？
• RQ4 トップ–チアムおよび準スカラー・モデルにおけるフレーバー破れのカップリングは、フレーバー普遍カップリングと比較してスペクトル形状にどのように影響を与えるか？
• RQ5 各モデルにおける必要な散乱断面積は何か。また、それは熱的残存値と一致するか？

主な発見

• オンシェルのベクトル・メドレーターがクォークへと崩壊するモデルは、40–100 GeVのダークマター質量と熱的残存散乱断面積を伴い、フェルミ-LATのスペクトルと良好に一致する。
• トップ–チアム散乱モードは、bb̄最終状態と非常に類似したスペクトルを生成し、過剰を適合させるために有効であるが、非熱的散乱率を必要とする。
• 三体崩壊を伴う準スカラー・メドレーターはスペクトル形状を適合できるが、通常は熱的残存値よりもはるかに大きな散乱断面積を必要とする。
• オンシェルのベクトルおよび準スカラー・メドレーター・モデルのスペクトル形状はフェルミ-LATのエンベロープと適合可能であるが、熱的残存密度と整合するのにはベクトル・モデルのみが達成できる。
• 結果はメドレーター質量に弱く依存しており、広範なパラメータ空間にわたり頑健であることが示された。
• 本研究は、オンシェル・メドレーターが直接検出およびコライダー制約を回避しながらフェルミ信号を維持できることを確認し、ダークマター模型としての妥当性を支持する。