[论文解读] Dark Matter Theories in the Light of Diphoton Excess

H. Han, Shaoming Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 38

一句话总结

该论文提出了 $φ$-portal 暗物质（DM）模型，其中负责 LHC 二光子过剩的 750 GeV 巨观单态标量 $φ$ 介导了暗物质与标准模型之间的相互作用。在微扰约束下，标量和狄拉克费米子 DM 在 400–3000 GeV 质量范围内均是可行的，其直接探测被抑制在圈图层次，因此只有在高亮度 LHC Run 2 中通过多 jets + 丢失能量信号才可能实现发现。

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.

研究动机与目标

• 探索与 LHC Run 2 中观测到的 750 GeV 二光子过剩一致的可行暗物质（DM）模型。
• 构建 $φ$-portal DM 模型，其中二光子共振标量 $φ$ 介导 DM 与标准模型的相互作用。
• 利用 LHC Run 1 和 Run 2 数据（包括二光子限制和直接探测约束）约束 DM 模型。
• 在微扰范围内评估标量和狄拉克费米子 DM 候选者的可行性。
• 评估通过多 jets + 丢失能量末态在 LHC 上直接探测 DM 的前景。

提出的方法

• 引入一个有效拉格朗日量，包含一个质量为 750 GeV 的 SM 单态标量 $φ$、一个电荷为 $Q_\psi = 5/3$ 的向量型费米子 $ψ$，以及一个标量或狄拉克费米子 DM。
• 通过 $Z_2$ 对称性稳定 DM，通过 Yukawa 耦合 $\kappa$ 实现 $φ$-portal 相互作用。
• 利用二光子信号强度 $\sigma(pp \to \phi \to \gamma\gamma) = (8 \pm 3)$ fb 约束 $y$ 和 $Q_\psi$。
• 使用 micrOMEGAs 计算 DM 丰度 $\Omega_{\text{DM}}h^2$，要求与 Planck/WMAP 数据一致。
• 通过涉及 SM 规范玻色子的圈图计算自旋无关的 DM-核子散射截面 $\sigma_{\text{SI}}$。
• 通过 $pp \to \text{SM jets} + \slashed{E}_T$ 过程评估在 LHC Run 2 中的可探测性，要求高亮度。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个 750 GeV 的 SM 单态标量 $φ$ 是否能够同时解释二光子过剩并作为暗物质的门户？
• RQ2 在 LHC 约束下，$φ$-portal 模型中标量和狄拉克费米子 DM 的可行参数空间是什么？
• RQ3 DM 丰度和直接探测限制如何约束 Yukawa 耦合 $\kappa$ 和 DM 质量 $m_{\text{DM}}$？
• RQ4 该模型中 DM 的直接探测是否可行？Xenon1T 或未来 LHC 运行中的前景如何？
• RQ5 能否通过多 jets + 丢失能量末态在 LHC Run 2 中发现 DM？

主要发现

• 在微扰约束下，标量和狄拉克费米子 DM 在 400–3000 GeV 质量范围内均是可行的，且 $\kappa$ 调节至与观测到的 DM 丰度一致。
• $φ$-portal 模型通过圈图过程将 DM-核子散射抑制至亚弱尺度截面，与当前直接探测限制一致。
• 该模型与所有现有直接探测限制（包括 XENON100、XENON1T 和 LUX）一致，且在 Xenon1T 上无发现前景。
• 由于末态为多体终态，pp 碰撞中通过胶子融合产生 DM 对的过程被抑制，因此在 LHC Run 2 中发现需依赖高亮度。
• 当 $Q_\psi = 5/3$ 时，二光子信号强度 $8 \pm 3$ fb 可被重现，且 $y$ 受 Run 1 限制约束。
• 微扰分析在标量 DM 超过 ~2.5 TeV 和狄拉克费米子 DM 低于 ~400 GeV 时失效，原因在于丰度约束。