[论文解读] Fermion Singlet Dark Matter in a Pseudoscalar Dark Matter Portal

Bastián Díaz Sáez, Patricio Escalona+2 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出了一种在伪标量暗物质门控下的两组分暗物质模型，其中狄拉克费米子和实伪标量单重态均通过冻结过程（包括湮灭、转换和半湮灭）对遗迹丰度有所贡献。该模型通过宇称对称性实现稳定，无需额外的离散对称性，并识别出三个满足遗迹密度、隐形希格斯衰变及直接/间接探测约束的可行参数区域，其中间接探测（通过盒状伽马射线）对费米子暗物质组分尤为敏感。

ABSTRACT

We explore a simple extension to the Standard Model containing two gauge singlets: a Dirac fermion and a real pseudoscalar. In some regions of the parameter space both singlets are stable without the necessity of additional symmetries, then becoming a possible two-component dark matter model. We study the relic abundance production via freeze-out, with the latter determined by annihilations, conversions and semi-annihilations. Experimental constraints from invisible Higgs decay, dark matter relic abundance and direct/indirect detection are studied. We found three viable regions of the parameter space, and the model is sensitive to indirect searches.

研究动机与目标

• 探索标准模型的最小扩展，其中狄拉克费米子ψ和实伪标量单重态s作为两组分暗物质候选者。
• 研究两种单重态在不引入额外离散对称性的前提下，仅依赖宇称对称性实现稳定的可能性。
• 在显著的希格斯门控和暗物质 sector 耦合下，分析通过冻结过程（包括湮灭、转换和半湮灭）产生的遗迹丰度。
• 利用隐形希格斯衰变宽度限制、XENON1T 直接探测约束、Fermi-LAT 和 CTA 伽马射线数据，以及 AMS-02 反质子测量结果对模型进行约束。

提出的方法

• 模型通过包含狄拉克费米子ψ、实伪标量s、希格斯门控耦合λhs以及暗物质 sector 耦合gψ的拉格朗日量构建，其稳定性由宇称对称性保证，该对称性下ψ → γ⁰ψ 且 s → −s。
• 通过双组分冻结过程的玻尔兹曼方程计算遗迹密度，包括ψψ̄ → s+h、ψψ̄ → s+s 和 s+s → ψψ̄ 等2→2过程的热平均截面。
• 截面使用 micrOMEGAs 5.2.7a 计算，关键过程（包括半湮灭和转换）的解析表达式基于s波近似推导。
• 利用隐形希格斯衰变宽度限制、XENON1T 直接探测约束、Fermi-LAT 和 CTA 伽马射线数据，以及 AMS-02 反质子测量结果施加现象学约束。
• 对参数空间进行扫描以识别可行区域，特别关注半湮灭和转换过程对遗迹丰度的塑造作用。
• 分析间接探测信号，聚焦于费米子暗物质半湮灭产生的盒状伽马射线谱，并与观测限制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不引入额外离散对称性的最小标准模型扩展中，狄拉克费米子和实伪标量单重态能否共存为稳定的暗物质组分？
• RQ2 在显著的希格斯耦合与暗物质 sector 耦合下，湮灭、转换与半湮灭过程如何共同贡献于冻结过程中的双组分遗迹丰度？
• RQ3 在哪些可行参数区域中，该模型满足来自隐形希格斯衰变、直接探测（XENON1T）和间接探测（Fermi-LAT、CTA、AMS-02）的约束？
• RQ4 该模型对间接探测信号（特别是费米子暗物质半湮灭产生的盒状伽马射线谱）的敏感度如何？
• RQ5 高暗物质 sector 耦合gψ对紫外完成及单圈直接探测振幅有何影响？

主要发现

• 存在三个可行参数区域，使得该双组分暗物质模型满足观测到的遗迹密度、隐形希格斯衰变约束以及 XENON1T 的直接探测限制。
• 半湮灭和暗物质转换在显著降低伪标量组分的遗迹丰度方面起关键作用，使模型即使在伪标量质量高达数 TeV 时也能避开 XENON1T 的约束。
• 费米子暗物质组分的质量可位于 500–700 GeV 及以上，而 AMS-02 反质子约束排除了约 500–700 GeV 以下的质量。
• 费米子暗物质 s通道半湮灭产生的盒状伽马射线谱可被 CTA 和 Fermi-LAT 检测，当前参数空间内未发现矛盾，但探测灵敏度仅覆盖可行区域的部分区域。
• gψ 的高值可能导致 Landau 极点，暗示需要紫外完成，且可能增强单圈直接探测振幅，从而进一步约束参数空间。