[論文レビュー] The 3.5 keV X-ray line signature from annihilating and decaying dark matter in Weinberg model

Seungwon Baek, Pyungwon Ko+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 25

ひとこと要約

この論文は、銀河団およびアンドロメダからの3.55 keV X線ライン信号を説明するため、ワインバーグ模型のグローバルU(1)X対称性枠組み内でフェルミオン的ダークマター模型を提案する。p波散乱によるダークマターの二光子への崩壊が、X線ラインを再現可能であり、同時に宇宙論的制約を満たすことが示され、高自由度の宇宙における相対論的ダークマターの早期脱結合によって残り滓密度が達成される。

ABSTRACT

Recently two groups independently observed unidentified X-ray line signal at the energy 3.55 keV from the galaxy clusters and Andromeda galaxy. We show that this anomalous signal can be explained in annihilating dark matter model, for example, fermionic dark matter model in hidden sector with global $U(1)_X$ symmetry proposed by Weinberg. There are two scenarios for the production of the annihilating dark matters. In the first scenario the dark matters with mass 3.55 keV decouple from the interaction with Goldstone bosons and go out of thermal equilibrium at high temperature ($>$ 1 TeV) when they are still relativistic, their number density per comoving volume being essentially fixed to be the current value. The correct relic abundance of this warm dark matter is obtained by assuming that about ${\cal O}(10^3)$ relativistic degrees of freedom were present at the decoupling temperature or alternatively large entropy production occurred at high temperature. In the other scenario, the dark matters were absent at high temperature, and as the universe cools down, the SM particles annihilate or decay to produce the dark matters non-thermally as in `freeze-in' scenario. It turns out that the DM production from Higgs decay is the dominant one. In the model we considered, only the first scenario can explain both X-ray signal and relic abundance. The X-ray signal arises through $p$-wave annihilation of dark matter pair into two photons through the scalar resonance without violating the constraints from big bang nucleosynthesis, cosmic microwave background, and astrophysical objects such as red giants or white dwarfs. We also discuss the possibility that the signal may result from a decaying dark matter in a simple extension of Weinberg model.

研究の動機と目的

• 銀河団およびアンドロメダからの最近観測された3.55 keV X線ライン信号を、ダークマター散乱によって説明すること。
• 一貫した理論的枠組み内でのX線ライン信号と正しいダークマター残り滓密度の両立を図ること。
• 拡張されたワインバーグ模型にグローバルU(1)X対称性を導入した場合、信号が散乱するダークマター由来か、崩壊由来かを調査すること。
• ビッグバン核合成、宇宙マイクロ波背景放射、赤色巨星などの天体的対象からの制約を回避できることを保証すること。
• 観測信号を説明するための熱的および非熱的ダークマター生成メカニズムの妥当性を調査すること。

提案手法

• グローバルU(1)X対称性に従うフェルミオン的ダークマターψと複素スカラーφを導入。対称性の自発的破れによりゴルドストーン粒子αが生成される。
• 対称性破れ後、ダークマターψは二つのメジャナ状態ψ±に分裂し、残りのZ2対称性によりψ−が安定化される。
• スカラーφは標準模型のヒッグスhと混合角αHで混合し、二つの物理的状態H1およびH2を形成。H2はダークマター散乱の共鳴媒介粒子として機能する。
• X線ラインは、H2共鳴状態を通じたψ−のp波散乱による二光子生成によって生成され、質量の微調整が必要：mH2 ≈ 2mψ−。
• 熱的残り滓密度は、高温（Tf ~ 10^3–10^10 GeV）における相対論的ダークマターの早期脱結合を仮定することで達成され、大規模な有効自由度（g* ~ 3500）またはエントロピー生成が必要となる。
• ヒッグス崩壊による非熱的生成も検討されたが、熱的シナリオのみがX線ラインと残り滓密度の両方を説明可能であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3.55 keV X線ラインは、グローバルU(1)X対称性を有するワインバーグ模型におけるダークマター散乱によって説明可能か？
• RQ2 p波散乱による単色X線ラインを生成するためのモデルパラメータ（ヤコビ係数f、混合角αH、H2質量）にどのような条件が必要か？
• RQ3 観測されたダークマター残り滓密度は、このモデルで同時に達成可能か？
• RQ4 ビッグバン核合成、CMB、星の冷却（例：赤色巨星）といった宇宙論的制約は、モデルの妥当性にどのように影響するか？
• RQ5 この枠組みにおいて、X線信号は散乱由来か、崩壊由来か、どちらがより自然に説明可能か？

主な発見

• 3.55 keV X線ラインは、スカラー共鳴子H2を介したp波散乱によるダークマターψ−の二光子散乱によって説明可能であり、必要な断面積はσv ≈ (7.1×10⁻⁸ – 1.3×10⁻⁶) pbである。
• ダークマターが高温で相対論的状態にあった際に脱結合する熱的凍結アウトシナリオにおいて、残り滓密度が成功裏に再現される。この場合、Tf ~ 10³–10¹⁰ GeVでg*(Tf) ~ 3500、またはエントロピー生成が必要となる。
• ビッグバン核合成、宇宙マイクロ波背景放射、星の冷却（例：赤色巨星、白色矮星）からの制約を満たしており、ゴルドストーン粒子αがミューオン・電子の閾値より高いエネルギーで脱結合するためである。
• ゴルドストーン粒子は、ミューオン質量よりわずかに高いエネルギーで脱結合するとΔNeff ≈ 0.39 (0.57)を寄与し、観測結果と整合的である。
• 長寿命のψ+状態のψ−γγへの崩壊も広帯域X線信号を生成可能だが、鋭いラインを生成できない。また、mDM ≲ 10³ GeVの範囲ではCMB制約と整合的である。
• X線ラインと正しい残り滓密度の両方を同時に説明可能なのは、熱的歴史と共鳴条件mH2 ≈ 2mψ−を満たす散乱ダークマターのシナリオに限られる。