[논문 리뷰] The 750 GeV Diphoton Excess from a Pseudoscalar in Fermionic Dark Matter Scenario

Karim Ghorbani, Parsa Ghorbani|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 04.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 힉스 포털과 효과적 글루온/광자 연산자를 통해 어두운 영역과 표준모형 간 상호작용을 매개하는 750 GeV의 준스칼라 보손이 존재하는 단일 페르미온 어두운 물질 모형을 제안한다. 이 모형은 88–280 GeV의 어두운 물질 질량 범위에서 플랑크 측정값과 관측된 25–45 GeV의 붕괴 너비를 동시에 재현하면서도, 속도로 억제되는 스핀-독립 산란으로 인해 직접 탐지 제약 조건을 회피할 수 있다.

ABSTRACT

Assuming that the newly announced $750$ GeV diphoton excess by ATLAS and CMS is due to a decaying pseudoscalar particle, we analyze the singlet fermionic dark matter scenario with the pseudoscalar playing the role of the mediator. The dark sector connects to the standard model sector through the Higgs portal and effective operators of gluons and photons. We show that there is a range of dark matter masses within $\sim 88-280$ GeV that beside giving the correct relic density provided by Planck, matches also with the total decay width of $25-45$ GeV measured by ATLAS. Due to the presence of the pseudoscalar mediator, the DM-nucleon cross section is velocity suppressed so that the model evades easily the bounds put by even future direct detection experiments such as XENON1T.

연구 동기 및 목표

• ATLAS와 CMS가 관측한 750 GeV 이중 광자 초과 현상을 준스칼라 보손이 광자로 붕괴하는 것으로 설명하기 위해.
• 준스칼라 보손이 어두운 영역과 표준모형 간의 매개체로 작용하는 페르미온 어두운 물질 모형을 구축하기 위해.
• 플랑크가 측정한 바와 같은 어두운 물질 잔류 밀도를 재현할 수 있도록 보장하기 위해.
• 750 GeV 공진 상태에 대해 관측된 총 붕괴 너비 25–45 GeV와 일치시키기 위해.
• 속도로 억제되는 어두운 물질-핵자 산란을 통해 향후 직접 탐지 실험(예: XENON1T)과의 호환성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 750 GeV 준스칼라 보손과 힉스 포털 및 효과적 글루온·광자 연산자에 의해 결합된 단일 페르미온 어두운 물질 상태를 도입한다.
• 준스칼라 보손, 글루온, 광자에 대한 효과적 연산자를 포함하여 이중 광자 붕괴 채널을 생성한다.
• 준스칼라 보손을 통한 공진화 및 s-채널 상호작용을 가정하고, 보른 방정식을 사용하여 어두운 물질의 잔류 밀도를 계산한다.
• 이중 광자 붕괴, 글루온 쌍 붕괴, 그리고 보이지 않는 붕괴 기여를 포함하여 준스칼라 보손의 총 붕괴 너비를 계산한다.
• 스핀-독립 어두운 물질-핵자 산란 단면적을 평가하여, 이가 속도로 억제된다는 것을 보여준다.
• 잔류 밀도, 붕괴 너비, 직접 탐지 제약 조건을 모두 만족하는 영역을 찾기 위해 매개변수 공간 스캔을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 750 GeV 준스칼라 보손이 페르미온 어두운 물질 프레임워크 내에서 ATLAS와 CMS가 관측한 이중 광자 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 이 모형에서 플랑크 측정값과 일치하는 잔류 밀도를 갖는 어두운 물질 질량의 범위는 무엇인가?
• RQ3 이 모형이 관측된 750 GeV 공진 상태에 대해 총 붕괴 너비 25–45 GeV를 재현하는가?
• RQ4 속도로 억제되는 스핀-독립 산란 단면적은 직접 탐지 실험과의 호환성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 XENON1T와 같은 향후 직접 탐지 제약 조건을 고려할 때, 이 모형은 여전히 타당한가?

주요 결과

• 88–280 GeV의 어두운 물질 질량 범위에서 플랑크 측정값과 일치하는 잔류 밀도가 도출된다.
• 동일한 질량 범위에서 준스칼라 보손이 총 붕괴 너비 25–45 GeV를 달성하여 관측된 이중 광자 초과 현상과 일치한다.
• 이 모형은 속도로 억제되는 스핀-독립 산란을 통해 직접 탐지 신호를 억제한다.
• 낮은 산란 단면적 덕분에 이 모형은 XENON1T와 같은 향후 직접 탐지 실험과도 호환된다.
• 준스칼라 보손은 힉스 포털과 효과적 글루온/광자 연산자를 통해 상호작용을 매개하며, 이는 이중 광자 붕괴와 어두운 물질 결합을 가능하게 한다.