[论文解读] DAMPE Excess in Leptophilic $Z'$ model

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

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出一种轻子偏好型 $Z'$ 模型，以解释DAMPE观测到的1.5 TeV电子-正电子过剩，其中暗物质主要湮灭为轻子。该模型成功满足了WMAP/Planck原初丰度约束、LHC不可见希格斯玻色子衰变、直接探测实验（XENON1T/LUX）以及μ子反常磁矩的限制，在当前观测极限内提供了可行的暗物质解释。

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.

研究动机与目标

• 使用暗物质模型解释DAMPE观测到的1.5 TeV电子-正电子通量过剩。
• 确保该模型与WMAP/Planck测量的暗物质原初丰度一致。
• 满足LHC对不可见希格斯玻色子衰变的约束。
• 与XENON1T和LUX的直接探测限制保持兼容。
• 在模型框架内解决μ子反常磁矩的差异问题。

提出的方法

• 引入一种主要与轻子耦合的轻子偏好型 $Z'$ 规范玻色子，使暗物质能够主要湮灭为轻子对。
• 引入一个在标准模型下为单态但对 $U(1)'$ 规范对称性带电的暗物质候选者。
• 使用玻尔兹曼方程计算暗物质的原初丰度，并与WMAP/Planck的观测值匹配。
• 计算LHC中不可见希格斯玻色子衰变宽度，并确保其在实验限制范围内。
• 通过 $Z'$-介导的希格斯门户和 $Z'$-交换计算直接探测截面，与XENON1T和LUX的限制进行比较。
• 计算 $Z'$-泡利图和盒子图对μ子反常磁矩的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻子偏好型 $Z'$ 模型能否解释DAMPE观测到的1.5 TeV电子-正电子过剩？
• RQ2 该模型能否重现WMAP/Planck测量的正确暗物质原初丰度？
• RQ3 $Z'$ 贡献的不可见希格斯玻色子衰变宽度是否在LHC的实验上限范围内？
• RQ4 该模型能否与XENON1T和LUX的直接探测约束保持一致？
• RQ5 该模型对μ子反常磁矩的贡献是否与当前测量结果兼容？

主要发现

• 轻子偏好型 $Z'$ 模型通过主导的 $\chi\chi \to e^+e^-$ 湮灭过程，成功解释了DAMPE观测到的1.5 TeV电子-正电子过剩。
• 该模型在参数空间内成功再现了与WMAP/Planck测量一致的正确暗物质原初丰度。
• 不可见希格斯玻色子衰变宽度保持在LHC的实验上限内，满足不可见希格斯玻色子约束。
• 由于 $Z'$ 的轻子偏好特性，直接探测截面被抑制，使其低于XENON1T和LUX的限制。
• 该模型对μ子反常磁矩的贡献与当前实验数据一致。
• 该模型在所有主要实验约束下均保持可行，为DAMPE过剩提供了一致的解释。