[논문 리뷰] Dark Matter Theories in the Light of Diphoton Excess

H. Han, Shaoming Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 25.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 LHC 이중광자 과잉 현상의 원인이 되는 750 GeV의 표준모형(SM) 단일 스칼라 $φ$가 다크 매터(DM)와 표준모형 간 상호작용을 매개하는 $φ$-포털 다크 매터(DM) 모델을 제안한다. 400–3000 GeV 범위 내에서 스칼라 및 디рак 페르미온 DM 이 모두 양자역학적 제약 조건을 만족하며, 직접 탐지가 고리드 수준의 산란을 통해 억제되어 있어, 고광도 LHC 런 2에서 다중제트 + 미소 에너지 신호를 통해만 발견이 가능하다.

ABSTRACT

A new type of dark matter (DM) theories are proposed in the light of the standard model (SM) singlet scalar $ϕ$ which is responsible for the diphoton excess at the LHC Run 2. In the so-called $ϕ$-portal DM models, after taking into account the LHC constraints and DM direct detection limits, we show that in the perturbative framework DM as either a SM singlet scalar or Dirac fermion can be allowed in a wide mass range between 400 GeV and 3 TeV. The DM can be directly detected in SM multi-jets and missing energy.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 2에서 관측된 750 GeV 이중광자 과잉 현상과 일치하는 타당한 다크 매터(DM) 모델을 탐색하기 위해.
• 이중광자 공진 상태인 스칼라 $φ$가 DM과 표준모형(SM) 간 상호작용을 매개하는 $φ$-포털 DM 모델을 구축하기 위해.
• LHC 런 1 및 런 2 데이터를 사용하여 DM 모델을 제약 조건에 둘러싸며, 이중광자 한계 및 직접 탐지 제약 조건을 포함하기 위해.
• 양자역학적 제약 조건 내에서 스칼라 및 디рак 페르미온 DM 후보의 타당성을 평가하기 위해.
• 다중제트 + 미소 에너지 최종 상태를 통해 LHC에서 직접 DM 탐지 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 표준모형(SM) 단일 스칼라 $φ$(질량 750 GeV), 전하 $Q_\psi = 5/3$인 벡터형 페르미온 $ψ$, 그리고 스칼라 또는 디рак 페르미온 DM을 포함하는 효과적 라그랑지안을 도입하기 위해.
• DM를 안정화하기 위해 $Z_2$ 대칭을 도입하고, 요다 상호작용 $\kappa$를 통해 $φ$-포털 상호작용을 구현하기 위해.
• 이중광자 신호 강도 $\sigma(pp \to \phi \to \gamma\gamma) = (8 \pm 3)$ fb를 사용하여 $y$와 $Q_\psi$를 제약 조건에 둔다.
• micrOMEGAs를 사용하여 DM 잔류 밀도 $\Omega_{\text{DM}}h^2$를 계산하고, 플랑크/WMAP 데이터와 일치하도록 요구한다.
• 표준모형 게이지 보손을 포함하는 루프 다이어그램을 통해 스핀-독립적 DM-핵자 산란 단면적 $\sigma_{\text{SI}}$를 계산하기 위해.
• 고광도 조건이 필요한 LHC 런 2에서의 탐지 가능성 평가를 위해 $pp \to \text{SM 제트} + \slashed{E}_T$ 과정을 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV의 표준모형(SM) 단일 스칼라 $φ$는 이중광자 과잉 현상과 동시에 다크 매터(DM)로의 통로 역할을 할 수 있는가?
• RQ2 LHC 제약 조건 하에서 $φ$-포털 모델에서 스칼라 및 디рак 페르미온 DM의 타당한 매개변수 공간은 무엇인가?
• RQ3 잔류 밀도와 직접 탐지 한계는 요다 상호작용 계수 $\kappa$와 DM 질량 $m_{\text{DM}}$를 어떻게 제약 조건에 둔다?
• RQ4 이 모델에서 직접 DM 탐지는 가능할 수 있으며, Xenon1T 또는 향후 LHC 런에서의 전망은 어떠한가?
• RQ5 LHC 런 2에서 다중제트 + 미소 에너지 신호를 통해 DM을 발견할 수 있는가?

주요 결과

• 스칼라 및 디рак 페르미온 DM 이 400–3000 GeV 질량 범위 내에서 양자역학적 제약 조건을 만족하며, 관측된 DM 잔류 밀도와 일치하도록 $\kappa$를 조정할 수 있다.
• $φ$-포털 모델은 루프 수준의 과정을 통해 DM-핵자 산란을 약한 스케일 이하의 단면적으로 억제하여 현재의 직접 탐지 한계와 일치한다.
• XENON100, XENON1T, LUX를 포함한 모든 기존의 직접 탐지 한계와 일치하며, Xenon1T에서의 발견 가능성은 없으며.
• 다수의 끝 상태를 포함하는 글루온 융합을 통한 DM 쌍 생성이 억제되어 있어, LHC 런 2에서의 발견을 위해서는 고광도 조건이 필요하다.
• 이중광자 신호 강도 8 ± 3 fb 는 $Q_\psi = 5/3$일 때 재현되며, Run 1 한계로 $y$가 제약 조건에 둔다.
• 양자역학적 분석이 스칼라 DM이 약 2.5 TeV 이상, 디рак 페르미온 DM이 약 400 GeV 이하일 경우 잔류 밀도 제약 조건으로 인해 붕괴된다.