[论文解读] Explaining the GeV antiproton/$γ-$ray excesses and W-boson mass anomaly in an inert two Higgs doublet model

Chengrui Zhu, Mingyang Cui+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 9

一句话总结

该论文提出，惰性双 Higgs 双重态模型（i2HDM）可同时解释GeV能段反质子过剩（AMS-02）、银心伽马射线过剩（Fermi-LAT）以及W玻色子质量测量中7σ的偏差。通过采用基于电荷符号依赖的三维太阳调制模型分析反质子，并利用数据驱动的谱模板分析方法处理伽马射线数据，研究发现暗物质参数具有一致性：一个质量为40–80 GeV的暗物质粒子通过$SS\to WW^{*}$过程湮灭，截面为$O(10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$)，在单一理论框架内统一解释了所有三类异常现象。

ABSTRACT

For the newly discovered $W$-boson mass anomaly, one of the simplest dark matter (DM) models that can account for the anomaly without violating other astrophysical/experimental constraints is the inert two Higgs doublet model, in which the DM mass ($m_{S}$) is found to be within $\sim 54-74$ GeV. In this model, the annihilation of DM via $SS o b\bar{b}$ and $SS o WW^{*}$ would produce antiprotons and gamma rays, and may account for the excesses identified previously in both particles. Motivated by this, we re-analyze the AMS-02 antiproton and Fermi-LAT Galactic center gamma-ray data. For the antiproton analysis, the novel treatment is the inclusion of the charge-sign-dependent three-dimensional solar modulation model as constrained by the time-dependent proton data. We find that the excess of antiprotons is more distinct than previous results based on the force-field solar modulation model. The interpretation of this excess as the annihilation of $SS o WW^{*}$ ($SS o b\bar{b}$) requires a DM mass of $\sim 40-80$ ($40-60$) GeV and a velocity-averaged cross section of $O(10^{-26})~{ m cm^3~s^{-1}}$. As for the $γ$-ray data analysis, besides adopting the widely-used spatial template fitting, we employ an orthogonal approach with a data-driven spectral template analysis. The fitting to the GeV $γ$-ray excess yields DM model parameters overlapped with those to fit the antiproton excess via the $WW^{*}$ channel. The consistency of the DM particle properties required to account for the $W$-boson mass anomaly, the GeV antiproton excess, and the GeV $γ$-ray excess suggest a common origin of them.

研究动机与目标

• 检验惰性双 Higgs 双重态模型（i2HDM）是否能同时解释AMS-02观测到的GeV能段反质子过剩、Fermi-LAT探测到的银心伽马射线过剩，以及7σ的W玻色子质量偏差。
• 通过结合随时间变化的质子数据约束的电荷符号依赖型三维太阳调制模型，改进反质子分析，超越传统的力场近似方法。
• 对伽马射线数据应用数据驱动的谱模板分析方法，仅通过背景成分的谱特性进行建模，以减少系统性偏差。
• 通过空间模板拟合与谱模板分析的交叉验证，确保暗物质解释的稳健性。
• 识别一组一致的暗物质参数（$m_S$，$\langle \sigma v \rangle$），能够同时满足所有三类天体物理与对撞机异常现象。

提出的方法

• 采用电荷符号依赖型三维太阳调制模型分析反质子，该模型基于随时间变化的AMS-02质子数据进行约束，优于传统的力场近似方法。
• 对Fermi-LAT伽马射线数据应用数据驱动的谱模板分析方法，仅通过背景成分的谱特性进行建模，以减少系统性偏差。
• 对银心过剩（GCE）采用广义Navarro-Frenk-White（gNFW）剖面，并对银晕区域中“类GCE”成分采用互补的gNFW剖面。
• 使用Ackermann等人（2012）提供的128个银河系弥漫发射模板，将$\pi^0$衰变与轫致辐射发射合并为单一组分，因其与星际气体具有相同的形态分布。
• 利用曝光图与Fermi-LAT PSF计算预测的光子计数，以考虑仪器的角度分辨率。
• 通过基于低结构区域（$|b| < -2^\circ$）的高斯先验，对各向同性背景与费米气泡成分进行约束，确保背景建模的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 惰性双 Higgs 双重态模型（i2HDM）是否能同时解释AMS-02观测到的GeV能段反质子过剩、Fermi-LAT探测到的银心伽马射线过剩，以及7σ的W玻色子质量偏差？
• RQ2 与标准力场模型相比，引入电荷符号依赖型三维太阳调制模型是否显著改变反质子过剩的显著性？
• RQ3 对伽马射线采用数据驱动的谱模板分析方法，能否获得与空间模板拟合一致的暗物质参数，从而降低模型依赖性？
• RQ4 哪些暗物质质量与湮灭截面是同时满足$SS\to WW^{*}$与$SS\to b\bar{b}$过程对反质子与伽马射线数据拟合的最优选择？
• RQ5 用于解释W玻色子质量偏差的暗物质参数，是否与解释反质子与伽马射线过剩所需的参数相容？

主要发现

• 与力场近似相比，采用电荷符号依赖型三维太阳调制模型分析时，反质子过剩的显著性更高。
• 反质子过剩最合理的解释是$SS\to WW^{*}$湮灭过程，对应暗物质质量为$40-80$ GeV，速度平均截面为$O(10^{-26}\ \text{cm}^3\text{s}^{-1}$)。
• $SS\to b\bar{b}$通道可解释反质子过剩，对应暗物质质量为$40-60$ GeV，截面大小相近。
• 对Fermi-LAT数据的谱模板分析结果，其银心过剩的能谱分布与$WW^{*}$通道一致，且与反质子结果重叠。
• 解释W玻色子质量偏差所需的暗物质参数（$m_S \sim 54-74$ GeV）与解释反质子与伽马射线过剩所需的参数完全一致。
• 综合分析结果支持：W玻色子质量偏差、GeV能段反质子过剩与GeV能段伽马射线过剩在i2HDM框架下具有共同起源。