[논문 리뷰] Asymmetric Dark Matter in the Sun and the Diphoton Excess at the LHC

P. S. Bhupal Dev, Daniele Teresi|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 22.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 스칼라 및 편성자 매개체를 가진 비대칭 암흑물질(ADM)의 최소 단순 모델을 제안하며, 운동량에 의존하는 중성자 결합을 통해 태양 이상 현상과 LHC에서 관측된 750 GeV 이중빛자국 붕괴를 동시에 설명한다. 편성자 매개체는 약 750 GeV의 질량을 가지며, 암흑물질 쌍으로의 주로 붕괴를 통해 자연스럽게 큰 너비(~45 GeV)를 가지며, 루프 수준의 결합을 통해 이중빛자국 붕괴 확률을 증가시킨다. 반면, 경량 스칼라 매개체(수 GeV 범위)는 운동량에 의존하는 ADM-중성자 상호작용을 매개한다.

ABSTRACT

It has been recently pointed out that a momentum-dependent coupling of the asymmetric Dark Matter (ADM) with nucleons can explain the broad disagreement between helioseismological observables and the predictions of standard solar models. In this paper, we propose a minimal simplified ADM model consisting of a scalar and a pseudoscalar mediator, in addition to a Dirac fermionic DM, for generating such momentum-dependent interactions. Remarkably, the pseudoscalar with mass around 750 GeV can simultaneously explain the solar anomaly and the recent diphoton excess observed by both ATLAS and CMS experiments in the early $\sqrt s=13$ TeV LHC data. In this framework, the total width of the resonance is naturally large, as suggested by the ATLAS experiment, since the resonance mostly decays to the ADM pair. The model predicts the existence of a new light scalar in the GeV range, interacting with quarks, and observable dijet, monojet and $t\bar{t}$ signatures for the 750 GeV resonance at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 운동량에 의존하는 중성자 결합을 통해 헬리오세이즘 데이터와 표준 태양 모델 예측 간 오랜 기간 지속된 불일치를 해결하기 위해 비대칭 암흑물질(ADM)을 사용하는 것.
• LHC 초기 Run 2 데이터에서 관측된 750 GeV 이중빛자국 붕괴를 암흑물질 쌍으로 주로 붕괴하는 편성자 공명이 설명할 수 있도록 하는 것.
• 태양 물리 이상 현상과 LHC 공명 신호를 통합하는 최소 단순 모델(스칼라 및 편성자 두 개의 새로운 장만 포함)을 구축하는 것.
• LHC의 단일제트, 이제트, 이중빛자국 제약 조건뿐 아니라 CMB 및 보편성 제약 조건을 만족하는 타당한 매개변수 공간을 규명하는 것.

제안 방법

• 실수 스칼라 및 실수 편성자 매개체와 결합된 디랙 페르미온 암흑물질 입자를 도입하며, 이들 사이에 작은 혼합 각도를 가진다.
• 편성자의 질량 고유 상태를 사용하여 750 GeV 이중빛자국 공명을 설명하며, 그 큰 너비(~45 GeV)는 주로 ADM 쌍으로의 붕괴에서 기인한다.
• 경량 스칼라 매개체를 통해 운동량에 의존하는 ADM-중성자 상호작용을 구현함으로써 태양 이상 현상을 수 GeV 스케일에서 설명한다.
• 전기 이중극 모멘트(EDM) 실험에서 강한 제약 조건을 피하기 위해 SM 쿼크와의 결합을 작게 유지함으로써, 편성자가 스칼라와의 혼합을 통해 LHC에서 생성됨을 보장한다.
• 이중빛자국 부분 붕괴 너비를 자유 매개변수로 설정하여 혼합-질량 평면에서 허용 가능한 영역을 탐색하며, 보편성 및 천체물리 제약 조건을 강제로 적용한다.
• 전체 붕괴 너비 공식을 사용하여 ADM 결합 강도(h ≈ 1.2)를 고정함으로써 관측된 공명 너비와의 일관성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동량에 의존하는 ADM-중성자 상호작용은 태양 농도 문제와 헬리오세이즘 불일치를 해결할 수 있는가?
• RQ2 동일한 모델이 ATLAS와 CMS가 LHC에서 관측한 750 GeV 이중빛자국 붕괴를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ3 750 GeV 공명의 큰 총 너비(~45 GeV)가 주로 ADM 쌍으로의 붕괴를 통해 달성될 수 있는가?
• RQ4 LHC 단일제트, 이제트, 이중빛자국 탐색 결과, CMB 및 보편성 제약 조건으로부터의 타당한 매개변수 공간 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 이 모델은 LHC에서의 이제트, 단일제트, 그리고 토프-항토프 공명과 같은 관측 가능한 서명을 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 질량 약 750 GeV인 편성자 매개체는 ATLAS 데이터와 일치하는 약 ~45 GeV의 총 너비를 가지며, LHC에서의 이중빛자국 붕괴를 설명할 수 있다.
• 이 모델은 운동량에 의존하는 상호작용을 매개하는 경량 스칼라 매개체(수 GeV 범위)를 예측하며, 이는 태양 물리 이상 현상을 해결한다.
• 이중빛자국 부분 너비는 이중빛자국 및 CMB 제약 조건으로 인해 최소 0.5 MeV로 제약을 받는다. 이는 큰 너비 요구 조건이 완화된 경우에도 마찬가지다.
• 보편성, CMB, 이중빛자국, 단일제트, 이중빛자국 제약 조건을 모두 만족하는 허용 가능한 매개변수 공간이 규명되었으며, 그 선호 영역은 그림 3에서 Γγγ = 0.25 GeV 및 1 GeV일 경우에 나타난다.
• 이 모델은 LHC에서 관측 가능한 이제트, 단일제트, 그리고 t̄t 서명을 예측한다. 만약 750 GeV 공명이 확인된다면 이는 ADM 가설을 시험할 수 있다.
• 이중빛자국 신호가 더 많은 데이터로 인해 사라지더라도, 경량 편성자 상태는 여전히 타당하며, 두 매개체가 모두 경량일 경우(예: h = 0.1, α = 0.05) 큰 허용 매개변수 공간이 존재한다.