[論文レビュー] Quasi-degenerate dark matter for DAMPE excess and $3.5\, extrm{keV}$ line

Pei-Hong Gu|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ダーク $SU(2)' imes U(1)'$ ゲージ対称性に基づく準縮退的ダークマター模型を提案する。この模型では、1ループで生じる小さな質量スプリングを持つディラックフェルミオン二重項が、DAMPEのデータにおける1.4 TeVの陽電子過剰と、3.5 keVのX線ラインの両方を説明する。陽電子過剰は樹形レベルの散乱 $\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ によって、X線ラインは1ループ放射性崩壊 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ によって説明される。この模型は、同時に宇宙初期の残余密度を説明でき、直接検出実験でも検証可能である。

ABSTRACT

We propose a quasi-degenerate dark matter scenario to simultaneously explain the $1.4\, extrm{TeV}$ peak in the high-energy cosmic-ray electron-positron spectrum reported by the DAMPE collaboration very recently and the $3.5\, extrm{keV}$ X-ray line observed in galaxies clusters and from the Galactic centre and confirmed by the Chandra and NuSTAR satellites. We consider a dark $SU(2)' imes U(1)'$ gauge symmetry under which the dark matter is a Dirac fermion doublet composed of two $SU(2)'$ doublets with non-trivial $U(1)'$ charges. At one-loop level the two dark fermion components can have a mass split as a result of the dark gauge symmetry breaking. Through the exchange of a mediator scalar doublet the two quasi-degenerate dark fermions can mostly annihilate into the electron-positron pairs at tree level for explaining the $1.4\, extrm{TeV}$ positron anomaly, meanwhile, the heavy dark fermion can very slowly decay into the light dark fermion with a photon at one-loop level for explaining the $3.5\, extrm{keV}$ X-ray line. Our dark fermions can be also verified in the direct detection experiments.

研究の動機と目的

• DAMPEが観測した1.4 TeVの陽電子過剰と、銀河団および銀河中心からの3.5 keVのX線ラインを同時に説明すること。
• 同じ粒子種が異なる過程（散乱と放射性崩壊）を通じて両方の信号を説明できるダークマターのシナリオを構築すること。
• 自発的対称性の破れの後に1ループ補正によって生じる質量スプリングを実現し、2つのダークフェルミオン成分間の小さな質量差を生成すること。
• 観測されたダークマターの残余密度と直接検出制約と両立すること。

提案手法

• 2つの非自明な $U(1)'$ 電荷を持つ $SU(2)'$ ダブルレットからなるディラックフェルミオン二重組を含む、ダーク $SU(2)'\times U(1)'$ ゲージ対称性を導入する。
• スカラー二重項媒介子を導入し、$\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ の樹形レベル散乱を可能にし、1.4 TeVピークを説明する。
• ダークゲージ対称性の自発的対称性の破れに起因する1ループ補正により、2つのダークフェルミオン成分間の小さな質量スプリングを生成する。
• 追加のスカラーシングレットを導入し、媒介スカラー二重項と混合させることで、1ループ放射性崩壊 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ を可能にし、3.5 keVのX線ラインを生成する。
• ダークゲージボソンがビッグバン核合成（BBN）以前に崩壊するように、標準模型フェルミオンとのヤコビ係数を調整する。
• ダークフォトンと仮想フォトンの $t$ チャネル交換による直接検出断面積を計算し、現在の実験で検出可能な値であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのダークマター模型が、DAMPEの1.4 TeV陽電子過剰と3.5 keVのX線ラインの両方を説明できるか？
• RQ2 ゲージ対称性の枠組みの中で、1ループ補正によって2つのダークフェルミオン成分間の小さな質量スプリングをどのように生成できるか？
• RQ3 スカラー二重項とシングレットの混合が、3.5 keVラインを生成する放射性崩壊を媒介する役割を果たすか？
• RQ4 同じダークフェルミオン二重組が、残余密度制約と直接検出制約の両方を満たせるか？
• RQ5 ダークゲージボソンがBBN以前に崩壊するように調整され、初期宇宙の制約と整合性を持つか？

主な発見

• スカラー二重項による樹形レベル散乱 $\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ によって1.4 TeVの陽電子過剰が説明され、観測された過剰と整合する断面積が得られる。
• ダーク $SU(2)'\times U(1)'$ 対称性の自発的対称性の破れに起因する1ループ補正により、2つのダークフェルミオン成分間に約100 MeVの小さな質量スプリングが生成される。
• スカラー二重項とシングレット成分の混合が可能になることで、1ループ放射性崩壊 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ が実現し、3.5 keVのX線ラインが説明される。
• 直接検出断面積は $\sigma_{\chi_1 p} \approx 4.2 \times 10^{-46}\ \text{cm}^2$ および $\sigma_{\chi_2 p} \approx 3.5 \times 10^{-47}\ \text{cm}^2$ と推定され、現在および近い将来の直接検出実験で検出可能である。
• ダークゲージボソン $W'^\pm$, $Z'$, $A'$ はBBN以前に崩壊し、崩壊幅 $\Gamma_{W'} \sim 5.8 \times 10^{-24}\ \text{GeV}$ および $\Gamma_{A'} \sim 2 \times 10^{-12}\ \text{GeV}$ を示し、宇宙論的整合性が保たれる。
• この模型は、散乱断面積を通じて観測されたダークマターの残余密度をうまく再現でき、プランクデータと整合する。