[論文レビュー] The 750 GeV Diphoton Excess from a Pseudoscalar in Fermionic Dark Matter Scenario

Karim Ghorbani, Parsa Ghorbani|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2016

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ヒッグスポータルおよび有効グルーオン／光子作用素を通じて、ダークセクターと標準模型が相互作用する750 GeVの擬スカラー粒子が、フェルミオン的ダークマターを媒介するモデルを提案する。このモデルは、プランクが測定したリリック密度と観測された25–45 GeVの崩壊幅を同時に再現する一方で、速度に比例して抑制されたスピン不変散乱のため、直接検出の制約を回避できる。

ABSTRACT

Assuming that the newly announced $750$ GeV diphoton excess by ATLAS and CMS is due to a decaying pseudoscalar particle, we analyze the singlet fermionic dark matter scenario with the pseudoscalar playing the role of the mediator. The dark sector connects to the standard model sector through the Higgs portal and effective operators of gluons and photons. We show that there is a range of dark matter masses within $\sim 88-280$ GeV that beside giving the correct relic density provided by Planck, matches also with the total decay width of $25-45$ GeV measured by ATLAS. Due to the presence of the pseudoscalar mediator, the DM-nucleon cross section is velocity suppressed so that the model evades easily the bounds put by even future direct detection experiments such as XENON1T.

研究の動機と目的

• ATLASおよびCMSが観測した750 GeVの二光子過剰を、光子に崩壊する750 GeVの擬スカラー粒子によって説明すること。
• 擬スカラーがダークセクターと標準模型の間を媒介するフェルミオン的ダークマターモデルを構築すること。
• プランクが測定した正しいダークマターのリリック密度を再現すること。
• 750 GeVの共鳴状態の観測された全崩壊幅25–45 GeVを一致させること。
• 速度に比例して抑制されたDM核子散乱のため、将来の直接検出実験（例：XENON1T）と両立可能であることを示すこと。

提案手法

• 750 GeVの擬スカラーとヒッグスポータルおよびグルーオン・フォトンへの有効結合を通じて結合するシングレットフェルミオン的ダークマター状態を導入する。
• 擬スカラー、グルーオン、光子を含む有効作用素を導入し、二光子崩壊チャネルを生成する。
• ボルツマン方程式を用いて、共凝縮およびsチャネルの凝縮を仮定してダークマターのリリック密度を計算する。
• 擬スカラーの全崩壊幅を計算し、二光子、グルーオン対、および見えない崩壊の寄与を含む。
• スピン不変のダークマター-核子散乱断面積を評価し、それが速度に比例して抑制されることを示す。
• パラメータ空間のスキャンを実施し、リリック密度、崩壊幅、直接検出制約が満たされる領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 750 GeVの擬スカラー粒子が、フェルミオン的ダークマター枠組み内でATLASおよびCMSが観測した二光子過剰を説明できるか？
• RQ2 このモデルにおいて、プランク測定値と整合するリリック密度を達成するダークマター質量の範囲は何か？
• RQ3 このモデルは、750 GeV共鳴状態の観測された全崩壊幅25–45 GeVを再現できるか？
• RQ4 速度に比例して抑制されたスピン不変散乱断面積は、直接検出実験との両立性にどのように影響するか？
• RQ5 XENON1Tのような将来の直接検出制約下でも、このモデルは健在性を保つことができるか？

主な発見

• 88–280 GeVのダークマター質量範囲が、プランク測定値と整合するリリック密度を生成する。
• 同じ質量範囲により、擬スカラーが25–45 GeVの全崩壊幅を達成でき、観測された二光子過剰と一致する。
• モデルは、速度に比例して抑制されたスピン不変のDM-核子散乱を特徴とし、直接検出信号を抑制する。
• 抑制された散乱断面積のため、XENON1Tのような将来の直接検出実験とも両立可能である。
• 擬スカラーはヒッグスポータルおよび有効グルーオン／光子作用素を通じて相互作用を媒介し、二光子崩壊とダークマター結合を可能にする。