[논문 리뷰] Explaining the GeV antiproton/$γ-$ray excesses and W-boson mass anomaly in an inert two Higgs doublet model

Chengrui Zhu, Mingyang Cui외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 관측된 기저의 반프로톤 초과(AMS-02), 은하중심 감마선 초과(Fermi-LAT), 그리고 W 보손 질량 측정에서의 7σ 이격을 동시에 설명할 수 있는 관성 두 개의 힉스 두중항 모형(i2HDM)을 제안한다. 반프로톤에 대해 시간에 따라 변화하는 양성자 데이터로 제약을 받는 전하 기호 의존성 3차원 태양 조절 모형을 적용하고, 감마선에 대해서는 배경 모델링의 불확실성을 줄이기 위해 데이터 기반 스펙트럼 템플릿 분석을 사용함으로써, 일관된 암흑물질 파rameters를 발견하였다: 40–80 GeV의 암흑물질 입자가 $SS\to WW^{*}$를 통해 붕괴하며, 단면적은 $O(10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1})$ 수준이다. 이는 단일 이론적 프레임워크 내에서 세 가지 이상 현상 모두를 조율하는 데 성공하였다.

ABSTRACT

For the newly discovered $W$-boson mass anomaly, one of the simplest dark matter (DM) models that can account for the anomaly without violating other astrophysical/experimental constraints is the inert two Higgs doublet model, in which the DM mass ($m_{S}$) is found to be within $\sim 54-74$ GeV. In this model, the annihilation of DM via $SS o b\bar{b}$ and $SS o WW^{*}$ would produce antiprotons and gamma rays, and may account for the excesses identified previously in both particles. Motivated by this, we re-analyze the AMS-02 antiproton and Fermi-LAT Galactic center gamma-ray data. For the antiproton analysis, the novel treatment is the inclusion of the charge-sign-dependent three-dimensional solar modulation model as constrained by the time-dependent proton data. We find that the excess of antiprotons is more distinct than previous results based on the force-field solar modulation model. The interpretation of this excess as the annihilation of $SS o WW^{*}$ ($SS o b\bar{b}$) requires a DM mass of $\sim 40-80$ ($40-60$) GeV and a velocity-averaged cross section of $O(10^{-26})~{ m cm^3~s^{-1}}$. As for the $γ$-ray data analysis, besides adopting the widely-used spatial template fitting, we employ an orthogonal approach with a data-driven spectral template analysis. The fitting to the GeV $γ$-ray excess yields DM model parameters overlapped with those to fit the antiproton excess via the $WW^{*}$ channel. The consistency of the DM particle properties required to account for the $W$-boson mass anomaly, the GeV antiproton excess, and the GeV $γ$-ray excess suggest a common origin of them.

연구 동기 및 목표

• 관성 두 개의 힉스 두중항 모형(i2HDM)이 기저 반프로톤 초과, 은하중심 감마선 초과, 그리고 7σ의 W 보손 질량 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 시간에 따라 변화하는 AMS-02 양성자 데이터로 제약을 받는 전하 기호 의존성 3차원 태양 조절 모형을 통합하여 반프로톤 분석을 향상시키는 것.
• 공간 템플릿에 의존도를 줄이고 배경 모델링의 불확실성을 감소시키기 위해 감마선에 대해 데이터 기반 스펙트럼 템플릿 분석을 적용하는 것.
• 공간 템플릿 피팅과 스펙트럼 템플릿 분석을 모두 사용하여 결과를 상호 검증함으로써 암흑물질 해석의 강건성을 확보하는 것.
• 세 가지 천체물리학적 및 입자물리학적 이상 현상 모두를 만족시키는 일관된 암흑물질 파arameters($m_S$, $\langle \sigma v \rangle$)를 특정하는 것.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 AMS-02 양성자 데이터로 제약을 받는 전하 기호 의존성 3차원 태양 조절 모형을 반프로톤에 적용하여, 전통적인 힘장 근사 모형보다 향상된 분석을 수행하였다.
• Fermi-LAT 감마선 데이터에 대해 데이터 기반 스펙트럼 템플릿 분석을 적용하여 배경 성분을 스펙트럼적 성질에만 기반하여 모델링함으로써 체계적 편향을 감소시켰다.
• 은하중심 초과(GCE)에 대해 일반화된 나바르-프렌크-화이트(gNFW) 프로파일을 사용하였고, 부두 영역의 'GCE 유사' 성분에 대해 보완적인 gNFW 프로파일을 적용하였다.
• Ackermann 등(2012)의 128개의 은하간 기저 방출 템플릿을 사용하였으며, 상호작용성 가스에서 유래하는 공통된 형태를 가진 $\pi^0$ 붕괴와 브레머스트라할링 방출을 하나의 성분으로 통합하였다.
• 노출도 지도와 Fermi-LAT PSF를 사용하여 기기의 각도 해상도를 고려하여 예측된 광자 수를 계산하였다.
• 등방성 및 Fermi Bubble 성분을 저구조 영역($|b| < -2^\circ$)에서 유도된 가우시안 사전 확률을 사용하여 제약함으로써 배경 모델링의 강건성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관성 두 개의 힉스 두중항 모형(i2HDM)은 AMS-02가 관측한 기저 반프로톤 초과, Fermi-LAT의 은하중심 감마선 초과, 그리고 7σ의 W 보손 질량 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 전하 기호 의존성 3차원 태양 조절 모형을 포함함으로써, 기존의 힘장 근사 모형 대비 반프로톤 초과의 유의미성이 유의미하게 변화하는가?
• RQ3 감마선에 대한 데이터 기반 스펙트럼 템플릿 분석이 공간 템플릿 피팅과 일관된 암흑물질 파arameters를 도출할 수 있는가? 이는 모델 의존성을 감소시키는가?
• RQ4 반프로톤 및 감마선 데이터를 동시에 맞추기 위해 $SS\to WW^{*}$ 및 $SS\to b\bar{b}$ 채널을 통해 붕괴하는 암흑물질의 선호되는 질량과 붕괴 단면적은 무엇인가?
• RQ5 W 보손 질량 이상 현상을 설명하기 위해 필요한 암흑물질 파arameters는 반프로톤 및 감마선 초과를 설명하기 위해 필요한 파arameters와 일치하는가?

주요 결과

• 전하 기호 의존성 3차원 태양 조절 모형을 사용한 반프로톤 분석에서는, 기존의 힘장 근사 모형 대비 반프로톤 초과가 더 유의미하게 나타났다.
• 반프로톤 초과는 암흑물질 질량이 $40-80$ GeV이고, 속도 평균 단면적이 $O(10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1})$ 수준인 $SS\to WW^{*}$ 붕괴에 의해 가장 잘 설명된다.
• $SS\to b\bar{b}$ 채널은 암흑물질 질량이 $40-60$ GeV이고, 유사한 단면적을 가진다.
• Fermi-LAT 데이터의 스펙트럼 템플릿 분석은 $WW^{*}$ 채널과 일치하는 스펙트럼 에너지 분포를 가진 은하중심 초과를 도출하였으며, 반프로톤 결과와 겹친다.
• W 보손 질량 이상 현상을 설명하기 위해 필요한 암흑물질 파arameters($m_S \sim 54-74$ GeV)는 반프로톤 및 감마선 초과를 설명하기 위해 필요한 파arameters와 완전히 일치한다.
• 통합 분석 결과, W 보손 질량 이상 현상, 기저 반프로톤 초과, 기저 감마선 초과의 공통된 기원이 i2HDM 프레임워크 내에서 가능하다는 것이 뒷받침된다.