[論文レビュー] DAMPE Excess in Leptophilic $Z'$ model

Karim Ghorbani, Parsa Ghorbani|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、DAMPEが観測した1.5 TeVの電子・陽電子過剰を説明するため、ダークマターが主にレプトンへと崩壊する、レプチロフィリックな$Z'$モデルを提案する。このモデルは、WMAP/Planckの残り質量密度、LHCの見えないヒッグス崩壊、直接検出実験（XENON1T/LUX）、およびミュオンの異常磁気モーメントの制約をうまく満たし、現在の観測限界内で妥当なダークマターの説明を提供する。

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.

研究の動機と目的

• DAMPEが観測した1.5 TeVの電子・陽電子フラックス過剰をダークマター・モデルを用いて説明すること。
• WMAP/Planckが測定したダークマターの残り質量密度と整合するようにモデルを保証すること。
• LHCの見えないヒッグス崩壊制約を満たすこと。
• XENON1TおよびLUXの直接検出限界と両立できること。
• モデルの枠組み内でミュオンの異常磁気モーメントの乖離を説明すること。

提案手法

• レプトンに特に強く結合する、レプチロフィリックな$Z'$ゲージボソンを導入し、ダークマターがレプトン対へと崩壊できるようにする。
• 標準模型の単位元ではスカラーだが、$U(1)'$ゲージ対称性に対して電荷を持つダークマター候補を実装する。
• ボルツマン方程式を用いてダークマターの残り質量密度を計算し、WMAP/Planckの観測値と一致させる。
• LHCにおける見えないヒッグス崩壊幅を計算し、実験的上限内に収まるように確認する。
• $Z'$を介したヒッグスポータルおよび$Z'$交換を通じて直接検出断面積を評価し、XENON1TおよびLUXの限界と比較する。
• $Z'$・ペンギンおよびボックス図からのミュオンの異常磁気モーメントへの寄与を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプチロフィリックな$Z'$モデルは、DAMPEが観測した1.5 TeVの電子・陽電子過剰を説明できるか？
• RQ2 モデルは、WMAP/Planckが測定したダークマターの正しい残り質量密度を再現できるか？
• RQ3 $Z'$の寄与による見えないヒッグス崩壊幅は、LHCの実験的上限内にあるか？
• RQ4 モデルは、XENON1TおよびLUXの直接検出制約と両立できるか？
• RQ5 モデルは、現在の測定値と整合するミュオンの異常磁気モーメントへの寄与を提供できるか？

主な発見

• レプチロフィリックな$Z'$モデルは、$\chi\chi \to e^+e^-$の主要な崩壊モードにより、DAMPEが観測した1.5 TeVの電子・陽電子過剰をうまく説明する。
• パラメータ空間内で、WMAP/Planckの測定値と一致する正しいダークマターの残り質量密度を達成する。
• 見えないヒッグス崩壊幅は、LHCの実験的上限内に収まり、見えないヒッグス制約を満たす。
• レプチロフィリック性のおかげで直接検出断面積が抑制され、XENON1TおよびLUXの限界を下回る。
• モデルは、現在の実験データと整合する形でミュオンの異常磁気モーメントに寄与する。
• モデルは、すべての主要な実験的制約を満たし続け、DAMPEの過剰を一貫した説明を提供する。