[论文解读] Graviton-mediated dark matter model explanation the DAMPE electron excess and search at $e^+e^-$ colliders

Ruilin Zhu, Z. Yu|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种简化的Kaluza-Klein引力子介导的暗物质模型，其中TeV量级的自旋-2 KK引力子介导暗物质与轻子之间的相互作用，成功解释了DAMPE测定的1.4 TeV电子-正电子过剩。该模型预测在未来的$e^+e^-$对撞机中可探测到显著信号，基准点在1 TeV ILC和1000 fb$^{-1}$亮度下，$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$的显著性达到$S \geq 5$，使其具有潜在可发现性。

ABSTRACT

The very recent result of the DAMPE cosmic ray spectrum of electrons shows a narrow bump above the background at around 1.4 TeV. We attempt to explain the DAMPE electron excess in a simplified Kaluza-Klein graviton-mediated dark matter model, in which the graviton only interacts with leptons and dark matter. The related phenomenological discussions are given and this simplified graviton-mediated dark matter model has the potential to be cross-tested in future lepton collider experiments.

研究动机与目标

• 通过引入Kaluza-Klein引力子作为媒介，利用简化暗物质模型解释~1.4 TeV处DAMPE宇宙射线电子过剩。
• 探讨仅与轻子和暗物质耦合、不直接与标准模型耦合的引力子的唯象学特性。
• 评估该模型在未来的$e^+e^-$对撞机中被检验的潜力，特别是通过$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$过程。
• 利用DAMPE数据和对撞机灵敏度预测联合约束模型的参数空间。
• 比较费米子型与矢量型暗物质候选者在重现观测到的过剩和遗迹密度方面的能力差异。

提出的方法

• 引入一个简化模型，其中单个Kaluza-Klein引力子$G^{KK}$作为暗物质与轻子之间的媒介，其质量$m_G \sim 1.8$ TeV。
• 使用有效拉格朗日量$\mathcal{L}_{\text{int}} = -\frac{1}{\Lambda} G^{KK}_{\mu\nu} (c_D T^{\mu\nu}_D + c_\ell T^{\mu\nu}_\ell)$描述相互作用。
• 推导出暗物质湮灭为$\ell^+\ell^-$的截面$\sigma v$，使其与DAMPE过剩和遗迹密度相匹配。
• 利用振幅$\sigma \propto \frac{s^3}{\Lambda^4 ((s - m_G^2)^2 + (m_G \Gamma_G)^2)}$计算未来对撞机中$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$的截面。
• 在CEPC、FCC-ee和ILC上评估发现显著性$S = \frac{\sigma_{\text{signal}} \times L}{\sqrt{\sigma_{\text{SM}} \times L}}$，其中$\sqrt{s} = 1$ TeV，$L = 1000$ fb$^{-1}$。
• 对$m_\chi$、$m_G$、$c_\ell/\Lambda$和$c_\chi/\Lambda$进行数值扫描，以识别与DAMPE和对撞机约束一致的可行参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有仅与轻子和暗物质耦合的引力子介导的暗物质模型，能否解释DAMPE观测到的1.4 TeV电子-正电子过剩？
• RQ2 费米子型与矢量型暗物质候选者在重现观测到的湮灭截面和遗迹密度方面的能力有何差异？
• RQ3 在未来的$e^+e^-$对撞机中，KK引力子的发现潜力如何，特别是通过$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$通道？
• RQ4 在施加DAMPE数据和对撞机灵敏度约束后，该模型的哪些参数空间仍为可行？
• RQ5 该模型是否可在1 TeV国际线性对撞机上以1000 fb$^{-1}$亮度被探测到？可实现的显著性水平如何？

主要发现

• 该模型成功解释了~1.4 TeV处DAMPE观测到的电子-正电子过剩，基准点处暗物质湮灭截面为1.3 pb。
• 基准点$(m_\chi, m_G, c_\ell/\Lambda, c_\chi/\Lambda) = (1.4 \text{ TeV}, 1.8 \text{ TeV}, 1/4.2 \text{ TeV}^{-1}, 1/4.2 \text{ TeV}^{-1})$同时重现了DAMPE过剩和观测到的暗物质遗迹密度。
• 该基准点的$e^+e^- \to G^{KK} \to \mu^+\mu^-$截面为2.83 fb，处于未来$e^+e^-$对撞机的探测能力范围内。
• 在1 TeV ILC、1000 fb$^{-1}$亮度下，参数空间中与DAMPE一致的区域可实现$S \geq 5$的发现显著性。
• 在CEPC（$\sqrt{s} = 240$ GeV）和FCC-ee（$\sqrt{s} = 350$ GeV）上显著性低于3，表明低能$e^+e^-$对撞机灵敏度有限。
• 该模型在1 TeV ILC上最具发现前景，其信号背景比和积分亮度使在DAMPE favored参数空间的显著区域实现$S \geq 5$成为可能。