[论文解读] Asymmetric Dark Matter in the Sun and the Diphoton Excess at the LHC

P. S. Bhupal Dev, Daniele Teresi|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 21

一句话总结

该论文提出了一种极简的非对称暗物质（ADM）简化模型，其中包含标量和赝标量介子，通过动量依赖的核子耦合解释了太阳异常，并通过大型强子对撞机（LHC）的750 GeV双光子过剩现象。赝标量介子质量接近750 GeV，主要衰变为ADM对，自然地产生大宽度（约45 GeV），并通过圈图级耦合增强双光子衰变率；而轻量级标量介子（在GeV量级）则介导了动量依赖的ADM-核子相互作用。

ABSTRACT

It has been recently pointed out that a momentum-dependent coupling of the asymmetric Dark Matter (ADM) with nucleons can explain the broad disagreement between helioseismological observables and the predictions of standard solar models. In this paper, we propose a minimal simplified ADM model consisting of a scalar and a pseudoscalar mediator, in addition to a Dirac fermionic DM, for generating such momentum-dependent interactions. Remarkably, the pseudoscalar with mass around 750 GeV can simultaneously explain the solar anomaly and the recent diphoton excess observed by both ATLAS and CMS experiments in the early $\sqrt s=13$ TeV LHC data. In this framework, the total width of the resonance is naturally large, as suggested by the ATLAS experiment, since the resonance mostly decays to the ADM pair. The model predicts the existence of a new light scalar in the GeV range, interacting with quarks, and observable dijet, monojet and $t\bar{t}$ signatures for the 750 GeV resonance at the LHC.

研究动机与目标

• 通过核子动量依赖耦合的非对称暗物质（ADM）解决日震学数据与标准太阳模型预测之间长期存在的差异。
• 通过一个主要衰变为ADM对的赝标量共振态，解释早期LHC Run 2数据中观测到的750 GeV双光子过剩现象。
• 构建一个仅包含两个新场（标量和赝标量）的极简简化模型，统一解释太阳物理异常和LHC共振信号。
• 识别与LHC单喷注、二喷注和双光子约束，以及CMB和微扰性边界一致的可行参数空间。

提出的方法

• 引入一个与实标量和实赝标量介子耦合的狄拉克费米子型暗物质粒子，二者之间存在微小混合角。
• 利用赝标量的质量本征态解释750 GeV双光子共振，其大宽度（约45 GeV）源于主要衰变为ADM对。
• 通过标量介子实现ADM与核子之间的动量依赖耦合，从而在GeV量级解释太阳异常。
• 确保对SM夸克的耦合较弱，以避免电偶极矩（EDM）实验的强约束，从而使赝标量可通过与标量的混合在LHC中产生。
• 将双光子部分宽度参数化为自由参数，以探索混合-质量平面上的允许区域，同时满足微扰性和宇宙学约束。
• 使用总宽度公式确定ADM耦合强度（h ≈ 1.2），确保与观测到的共振宽度一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 动量依赖的ADM-核子相互作用是否能解决太阳丰度问题和日震学差异？
• RQ2 同一模型是否能同时解释ATLAS和CMS在LHC观测到的750 GeV双光子过剩现象？
• RQ3 能否通过主要衰变为ADM对的方式，使750 GeV共振态的总宽度达到约45 GeV？
• RQ4 LHC单喷注、二喷注和双光子搜寻，以及CMB和微扰性边界所施加的可行参数空间约束是什么？
• RQ5 该模型是否能预测可观测的LHC信号，如二喷注、单喷注和顶-反顶共振？

主要发现

• 质量约为750 GeV的赝标量介子可解释LHC中的双光子过剩，其总宽度约为45 GeV，与ATLAS数据一致。
• 该模型预测存在一个在GeV量级的轻量标量介子，介导ADM与核子之间的动量依赖相互作用，从而解决太阳物理异常。
• 即使放宽大宽度要求，由于二喷注和CMB约束，双光子部分宽度仍被限制在至少0.5 MeV。
• 已识别出满足所有约束条件（微扰性、CMB、二喷注、单喷注和双光子）的可行参数空间，图3展示了Γγγ = 0.25 GeV和1 GeV时的优选区域。
• 该模型预测在LHC中可观测到二喷注、单喷注和t̄t信号，若750 GeV共振态被证实，这些信号可用来检验ADM假说。
• 即使随着更多数据双光子信号消失，一个轻量赝标量态仍具有可行性，当两个介子均较轻时（例如h = 0.1，α = 0.05），其允许参数空间较大。