[논문 리뷰] Quasi-degenerate dark matter for DAMPE excess and $3.5\, extrm{keV}$ line

Pei-Hong Gu|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 04.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 어둠의 $SU(2)' imes U(1)'$ 게이지 대칭을 바탕으로 한 준위가 서로 가까운 어둠의 물질 모델을 제안한다. 여기서 작은 1-loop 질량 분리가 일어나는 디랙 Fermion 쌍은 DAMPE 데이터에서 관측된 1.4 TeV 양전자 과잉과 3.5 keV X선 선을 각각 수준별 붕괴와 1-loop 복사 붕괴를 통해 설명한다. 이 모델은 동시에 잔여 밀도를 설명하며 직접 탐측 실험에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

We propose a quasi-degenerate dark matter scenario to simultaneously explain the $1.4\, extrm{TeV}$ peak in the high-energy cosmic-ray electron-positron spectrum reported by the DAMPE collaboration very recently and the $3.5\, extrm{keV}$ X-ray line observed in galaxies clusters and from the Galactic centre and confirmed by the Chandra and NuSTAR satellites. We consider a dark $SU(2)' imes U(1)'$ gauge symmetry under which the dark matter is a Dirac fermion doublet composed of two $SU(2)'$ doublets with non-trivial $U(1)'$ charges. At one-loop level the two dark fermion components can have a mass split as a result of the dark gauge symmetry breaking. Through the exchange of a mediator scalar doublet the two quasi-degenerate dark fermions can mostly annihilate into the electron-positron pairs at tree level for explaining the $1.4\, extrm{TeV}$ positron anomaly, meanwhile, the heavy dark fermion can very slowly decay into the light dark fermion with a photon at one-loop level for explaining the $3.5\, extrm{keV}$ X-ray line. Our dark fermions can be also verified in the direct detection experiments.

연구 동기 및 목표

• DAMPE에서 관측된 1.4 TeV 양전자 과잉과 은하단 및 은하중심에서의 3.5 keV X선 선을 동시에 설명하기 위해.
• 동일한 입자 종류가 붕괴와 복사 붕괴라는 서로 다른 과정을 통해 두 신호를 설명할 수 있는 어둠의 물질 시나리오를 구축하기 위해.
• 자발적 대칭 붕괴 이후 1-loop 보정을 통해 두 어둠의 Fermion 성분 간의 작은 질량 분리를 실현하기 위해.
• 관측된 어둠의 물질 잔여 밀도와 직접 탐측 제약 조건과의 호환성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 비어 있는 $U(1)'$ 전하를 지닌 $SU(2)'$ 쌍으로 이루어진 디랙 Fermion 쌍을 포함하는 어둠의 $SU(2)'\times U(1)'$ 게이지 대칭을 도입한다.
• 수준별 $\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ 붕괴를 가능하게 하는 매개체 스칼라 쌍을 도입하여 1.4 TeV 피크를 설명한다.
• 어둠의 게이지 대칭의 자발적 대칭 붕괴로 인한 1-loop 보정을 통해 두 어둠의 Fermion 성분 간의 작은 질량 분리를 생성한다.
• 매개체 스칼라 쌍과의 혼합을 통해 1-loop 복사 붕괴 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ 를 가능하게 하는 추가적인 스칼라 싱เก트를 도입하여 3.5 keV X선 선을 생성한다.
• 빅뱅 핵합성 이전에 어둠의 게이지 보손이 붕괴되도록 SM 페르미온과의 양자수를 조정한다.
• 어둠의 보손과 가상의 광자를 통한 $t$-채널 교환을 통한 직접 탐측 단면적을 계산하여 현재 실험에서 검출 가능한 비율임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 어둠의 물질 모델이 DAMPE의 1.4 TeV 양전자 과잉과 3.5 keV X선 선을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 게이지 대칭 프레임워크 내에서 1-loop 보정을 통해 두 어둠의 Fermion 성분 간의 작은 질량 분리를 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ3 스칼라 쌍과 싱เก트의 혼합이 3.5 keV 선을 담당하는 복사 붕괴를 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 동일한 어둠의 Fermion 쌍이 동시에 잔여 밀도 제약 조건과 직접 탐측 제약 조건을 만족할 수 있는가?
• RQ5 모델은 빅뱅 핵합성 이전의 어둠의 게이지 보손 붕괴와 같은 초기 우주 제약 조건과 일치하는가?

주요 결과

• 스칼라 쌍을 통한 수준별 붕괴 $\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ 류의 단면적은 관측된 과잉과 일치하며, 1.4 TeV 과잉을 설명한다.
• 어둠의 $SU(2)'\times U(1)'$ 대칭의 자발적 대칭 붕괴로 인해 1-loop 수준에서 약 100 MeV 정도의 작은 질량 분리가 두 어둠의 Fermion 성분 간에 생성된다.
• 3.5 keV X선 선은 스칼라 쌍과 싱เก트 성분 간의 혼합을 통해 가능한 1-loop 복사 붕괴 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ 류로 설명된다.
• 직접 탐측 단면적은 $\sigma_{\chi_1 p} \approx 4.2 \times 10^{-46}\ \text{cm}^2$ 와 $\sigma_{\chi_2 p} \approx 3.5 \times 10^{-47}\ \text{cm}^2$ 로 추정되며, 현재 및 향후 실험에서 검출 가능한 수준이다.
• 어둠의 게이지 보손 $W'^\pm$, $Z'$, $A'$ 는 빅뱅 핵합성 이전에 붕괴되며, 붕괴율은 $\Gamma_{W'} \sim 5.8 \times 10^{-24}\ \text{GeV}$ 와 $\Gamma_{A'} \sim 2 \times 10^{-12}\ \text{GeV}$ 로 추정되어 천체물리학적 일관성을 확보한다.
• 모델은 붕괴 단면적을 통해 관측된 어둠의 물질 잔여 밀도를 성공적으로 재현하며, Planck 데이터와 일치한다.