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

Pei-Hong Gu|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种基于暗部 $SU(2)' imes U(1)'$ 规范对称性的准简并暗物质模型，其中通过一个具有微小一阶量子修正质量劈裂的狄拉克费米子双重态，同时解释了DAMPE数据中1.4 TeV正电子过剩和3.5 keV X射线谱线，前者通过树图级湮灭过程 $\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ 实现，后者通过一阶量子修正的辐射衰变 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ 实现。该模型同时满足暗物质遗迹密度要求，并可在直接探测实验中检验。

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.

研究动机与目标

• 同时解释DAMPE观测到的1.4 TeV正电子过剩以及星系团和银心区域的3.5 keV X射线谱线。
• 构建一个暗物质场景，使得同一粒子种类可通过不同过程（湮灭与辐射衰变）同时解释两个信号。
• 在自发对称性破缺后，通过一阶量子修正实现两个暗费米子组分之间微小的质量劈裂。
• 确保与观测到的暗物质遗迹密度及直接探测约束相容。

提出的方法

• 引入一个包含具有非平凡 $U(1)'$ 电荷的两个 $SU(2)'$ 双重态的狄拉克费米子双重态的暗部 $SU(2)'\times U(1)'$ 规范对称性。
• 引入一个媒介标量双重态，实现树图级 $\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ 湮灭过程，从而解释1.4 TeV峰。
• 利用自发破缺导致的暗规范对称性的一阶量子修正，生成两个暗费米子组分之间的微小质量劈裂。
• 引入额外的标量单重态，与媒介标量双重态混合，从而实现一阶量子修正的辐射衰变 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$，产生3.5 keV X射线谱线。
• 通过调节与SM费米子的Yukawa耦合，确保暗规范玻色子在大爆炸核合成前衰变。
• 通过暗光子与虚光子的 $t$-通道交换计算直接探测截面，表明当前及未来的实验可探测到该截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的暗物质模型能否同时解释DAMPE观测到的1.4 TeV正电子过剩与3.5 keV X射线谱线？
• RQ2 在规范对称框架下，如何通过一阶量子修正生成两个暗费米子组分之间的微小质量劈裂？
• RQ3 标量双重态与单重态混合在介导产生3.5 keV谱线的辐射衰变过程中起什么作用？
• RQ4 同一暗费米子双重态能否同时满足遗迹密度约束与直接探测限制？
• RQ5 该模型是否与早期宇宙约束一致，例如暗规范玻色子在BBN前衰变？

主要发现

• 该模型通过标量双重态介导的树图级湮灭过程 $\chi_1\chi_2 \to e^+e^-$ 解释了1.4 TeV正电子过剩，其截面与观测过剩一致。
• 由于暗部 $SU(2)'\times U(1)'$ 对称性的自发破缺，两个暗费米子组分之间生成了约100 MeV的一阶量子修正质量劈裂。
• 3.5 keV X射线谱线由一阶量子修正的辐射衰变 $\chi_1 \to \chi_2 + \gamma$ 解释，其中标量双重态与单重态的混合使光子发射成为可能。
• 直接探测截面估计为 $\sigma_{\chi_1 p} \approx 4.2 \times 10^{-46}\ \text{cm}^2$ 与 $\sigma_{\chi_2 p} \approx 3.5 \times 10^{-47}\ \text{cm}^2$，处于当前及未来直接探测实验的探测范围内。
• 暗规范玻色子 $W'^\pm$、$Z'$ 与 $A'$ 在大爆炸核合成前衰变，其衰变宽度为 $\Gamma_{W'} \sim 5.8 \times 10^{-24}\ \text{GeV}$ 与 $\Gamma_{A'} \sim 2 \times 10^{-12}\ \text{GeV}$，确保宇宙学一致性。
• 该模型通过湮灭截面成功重现了观测到的暗物质遗迹密度，与普朗克数据一致。