[論文レビュー] Graviton-mediated dark matter model explanation the DAMPE electron excess and search at $e^+e^-$ colliders

Ruilin Zhu, Z. Yu|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、TeVスケールのスピン2 KK重力子がダークマターとレプトンの間の相互作用を媒介する、簡略化されたカーラーツァ＝クライン重力子媒介ダークマター模型を提案する。この模型は、DAMPEが測定した1.4 TeVの電子・陽電子過剰をうまく説明できる。今後の$e^+e^-$衝突機で検出可能な信号を予測しており、1 TeVのILCと1000 fb$^{-1}$の全フラクションで、$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$の過程において$S \geq 5$の有意性を示すベンチマーク点が存在し、これは実際に発見可能である可能性を示している。

ABSTRACT

The very recent result of the DAMPE cosmic ray spectrum of electrons shows a narrow bump above the background at around 1.4 TeV. We attempt to explain the DAMPE electron excess in a simplified Kaluza-Klein graviton-mediated dark matter model, in which the graviton only interacts with leptons and dark matter. The related phenomenological discussions are given and this simplified graviton-mediated dark matter model has the potential to be cross-tested in future lepton collider experiments.

研究の動機と目的

• DAMPEが観測した約1.4 TeVの宇宙線電子過剰を、カーラーツァ＝クライン重力子を媒介とする簡略化されたダークマター模型で説明すること。
• 標準模型（SM）への直接結合を避ける、レプトンおよびダークマターにのみ結合する重力子のプロフェッショナルな性質を調査すること。
• 特に$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$を通じて、今後の$e^+e^-$衝突機でのモデルのテスト可能性を評価すること。
• DAMPEのデータと衝突機の感度予測を組み合わせて、モデルのパラメータ空間を制約すること。
• フェルミオン型とベクトル型のダークマター候補が、観測された過剰とリライク密度を再現する能力において、どのように異なるかを比較すること。

提案手法

• ダークマターとレプトンの間を媒介する単一のカーラーツァ＝クライン重力子$G^{KK}$を導入する簡略化モデルを提示し、質量は$m_G \sim 1.8$ TeVである。
• 相互作用を記述する有効ラグランジアン$\mathcal{L}_{\text{int}} = -\frac{1}{\Lambda} G^{KK}_{\mu\nu} (c_D T^{\mu\nu}_D + c_\ell T^{\mu\nu}_\ell)$を用いる。
• ダークマターが$\ell^+\ell^-$に消失する断面積$\sigma v$を導出し、DAMPEの過剰とリライク密度を一致させる。
• 将来の衝突機における$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$断面積を、振幅$\sigma \propto \frac{s^3}{\Lambda^4 ((s - m_G^2)^2 + (m_G \Gamma_G)^2)}$を用いて計算する。
• CEPC、FCC-ee、ILCで、$\sqrt{s} = 1$ TeV、$L = 1000$ fb$^{-1}$の条件下で、発見有意性$S = \frac{\sigma_{\text{signal}} \times L}{\sqrt{\sigma_{\text{SM}} \times L}}$を評価する。
• DAMPEと衝突機の制約を満たすパラメータ領域を特定するために、$m_\chi$、$m_G$、$c_\ell/\Lambda$、$c_\chi/\Lambda$の数値スキャンを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンおよびダークマターにのみ結合する重力子媒介ダークマター模型で、DAMPEが観測した1.4 TeVの電子・陽電子過剰を説明できるか？
• RQ2 フェルミオン型とベクトル型のダークマター候補は、観測された消失断面積とリライク密度を再現する能力において、どのように異なるか？
• RQ3 特に$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$チャンネルを通じて、将来の$e^+e^-$衝突機でのKK重力子の発見可能性はどの程度か？
• RQ4 DAMPEのデータと衝突機の感度制約を課した後、モデルのどのパラメータ空間が依然として妥当なままであるか？
• RQ5 1 TeVの国際線形衝突機（ILC）で、1000 fb$^{-1}$の全フラクションを用いてモデルを調べられ、どの程度の有意性が達成可能か？

主な発見

• ベンチマーク点において、ダークマターの消失断面積が1.3 pbで、DAMPEの電子・陽電子過剰をうまく説明できる。
• ベンチマーク点$(m_\chi, m_G, c_\ell/\Lambda, c_\chi/\Lambda) = (1.4 \text{ TeV}, 1.8 \text{ TeV}, 1/4.2 \text{ TeV}^{-1}, 1/4.2 \text{ TeV}^{-1})$は、DAMPEの過剰と観測されたダークマターのリライク密度の両方を再現する。
• このベンチマーク点における$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$断面積は2.83 fbであり、将来の$e^+e^-$衝突機の検出可能範囲内にある。
• 1 TeVのILCで1000 fb$^{-1}$の全フラクションを用いる場合、DAMPEと整合するパラメータ空間の領域で、発見有意性$S \geq 5$が達成可能である。
• CEPC（$\sqrt{s} = 240$ GeV）およびFCC-ee（$\sqrt{s} = 350$ GeV）では有意性が3未満であり、低エネルギー$e^+e^-$衝突機では感度が限定的である。
• モデルは、信号対背景比と統合全フラクションが良好な1 TeVのILCで、DAMPEに支持されるパラメータ空間の大部分において、$S \geq 5$の発見可能性が最も高い。