[논문 리뷰] DAMPE Excess in Leptophilic $Z'$ model

Karim Ghorbani, Parsa Ghorbani|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 DAMPE가 관측한 1.5 TeV 전자-양전자 초과를 설명하기 위해 레프틸로픽 $Z'$ 모델을 제안한다. 여기서 암흑물질은 주로 렙톤으로 붕괴한다. 이 모델은 WMAP/Planck의 잔류 밀도, LHC의 비가시 힉스 붕괴, 직접 탐지 실험(XENON1T/LUX), 그리고 뮤온 비정상 자석모멘트 제약 조건을 성공적으로 만족하며, 현재 관측 제약 조건 내에서 타당한 암흑물질 설명을 제공한다.

ABSTRACT

Recently the Dark Matter Particle Explorer (DAMPE) has reported an excess in the electron-positron flux of the cosmic rays which is interpreted as a dark matter particle with the mass about $1.5$ TeV. We come up with a leptophilic $Z'$ dark matter scenario which beside explaining the observed DAMPE excess, is able to pass various experimental/observational constraints including the relic density value from WMAP/Planck, the invisible Higgs decay bound at the LHC, the direct detection experiment limits from XENON1t/LUX and finally the muon anomalous magnetic moment constraint.

연구 동기 및 목표

• DAMPE가 관측한 1.5 TeV 전자-양전자 복사율 초과를 암흑물질 모델을 통해 설명하기 위해.
• WMAP/Planck에서 측정된 암흑물질 잔류 밀도와 일치하는 모델을 확보하기 위해.
• LHC에서의 비가시 힉스 붕괴 제약 조건을 충족시키기 위해.
• XENON1T와 LUX의 직접 탐지 제약 조건과 호환되도록 하기 위해.
• 모델 프레임워크 내에서 뮤온 비정상 자석모멘트의 격차를 다루기 위해.

제안 방법

• 렙톤에 주로 결합하는 레프틸로픽 $Z'$ 게이지 보손을 도입하여 암흑물질이 렙톤 쌍으로 붕괴할 수 있도록 한다.
• 표준모형에 대해 단일표본이지만 $U(1)'$ 게이지 대칭에 대해 전하를 띠는 암흑물질 후보를 구현한다.
• 보른 방정식을 사용하여 암흑물질의 잔류 밀도를 계산하고 WMAP/Planck에서 관측된 값과 일치시킨다.
• LHC에서의 비가시 힉스 붕괴 폭을 계산하여 실험적 한계 내에 유지되도록 한다.
• Higgs 포털 및 $Z'$-교환을 통한 직접 탐지 단면적을 평가하고 XENON1T 및 LUX 한계와 비교한다.
• $Z'$-펜그인 및 박스 도형을 통한 뮤온 비정상 자석모멘트 기여를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레프틸로픽 $Z'$ 모델은 DAMPE가 관측한 1.5 TeV 전자-양전자 초과를 설명할 수 있는가?
• RQ2 모델은 WMAP/Planck에서 측정된 암흑물질의 정확한 잔류 밀도를 재현하는가?
• RQ3 $Z'$ 기여로 인한 비가시 힉스 붕괴 폭이 LHC의 실험적 한계 내에 있는가?
• RQ4 모델은 XENON1T와 LUX의 직접 탐지 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 모델은 현재 측정값과 호환되는 뮤온 비정상 자석모멘트 기여를 제공하는가?

주요 결과

• 레프틸로픽 $Z'$ 모델은 암흑물질의 주요 붕괴 채널이 $\chi\chi \to e^+e^-$임을 통해 DAMPE가 관측한 1.5 TeV 전자-양전자 초과를 성공적으로 설명한다.
• 모델은 매개변수 공간 내에서 WMAP/Planck 측정값과 일치하는 정확한 암흑물질 잔류 밀도를 달성한다.
• 비가시 힉스 붕괴 폭은 LHC의 실험적 상한선 내에 유지되어 비가시 힉스 제약 조건을 충족한다.
• 레프틸로픽 성격으로 인해 직접 탐지 단면적이 억제되어 XENON1T 및 LUX 한계 이하로 유지된다.
• 모델은 현재 실험 데이터와 호환되는 방식으로 뮤온 비정상 자석모멘트에 기여한다.
• 모델은 모든 주요 실험 제약 조건을 충족하여 DAMPE 초과에 대해 일관된 설명을 제공한다.