[论文解读] Higgs portal vector dark matter for GeV scale -ray excess from galactic center

Pyungwon Ko, Wan-Il Park+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 2

一句话总结

本文提出，阿贝尔矢量暗物质（VDM）湮灭为暗希格斯玻色子——随后衰变为底夸克对——可解释银河系中心观测到的GeV能段伽马射线过量。该模型基于具有味依赖耦合的可重整化希格斯门理论，预测了一个可在即将开展的直接探测实验（如LUX和XENON1T）中检验的可行暗物质候选者。

ABSTRACT

We show that the GeV scale -ray excess from the direction of the Galactic Center can be naturally explained by the pair annihilation of Abelian vector dark matter (VDM) into a pair of dark Higgs bosons V V → ��, followed by the subsequent decay of � into � → bb,�¯ �. All the processes are described by a renormalizable VDM model with the Higgs portal, which is naturally flavor-dependent. Some parameter space of this scenario can be tested at the near future direct dark matter search experiments such as LUX and XENON1T.

研究动机与目标

• 通过可重整化暗物质模型解释银河系中心观测到的未解的GeV能段伽马射线过量。
• 提出一种机制，即矢量暗物质（VDM）湮灭为暗希格斯玻色子，后者随后衰变为底夸克对。
• 通过希格斯门相互作用自然实现味依赖的耦合。
• 识别出该模型中可被LUX和XENON1T等即将开展的直接探测实验检验的参数空间。

提出的方法

• 构建一个包含矢量暗物质态（VDM）和暗希格斯玻色子的可重整化U(1)规范理论。
• 引入标准模型希格斯粒子与暗希格斯玻色子之间的希格斯门耦合，使VDM对能够湮灭为暗希格斯玻色子。
• 在底夸克扇区引入味依赖耦合，以允许暗希格斯玻色子衰变为b̄b末态。
• 计算由链式过程VDM + VDM → 暗希格斯玻色子 → b + b̄，随后强子化并衰变为光子所产生的伽马射线能谱。
• 利用银河系中心观测到的伽马射线流量约束模型参数。
• 通过将模型预测的暗物质与核子散射截面与LUX和XENON1T的预期灵敏度进行比较，评估模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 矢量暗物质湮灭为暗希格斯玻色子是否能解释银河系中心的GeV能段伽马射线过量？
• RQ2 希格斯门中味依赖耦合对暗希格斯玻色子衰变道有何影响？
• RQ3 该模型参数空间的哪些区域与观测到的伽马射线谱一致？
• RQ4 所提出的模型能否在LUX和XENON1T等即将开展的直接探测实验中被检验？
• RQ5 该模型的可重整化结构如何影响该情景的可行性和可预测性？

主要发现

• 该模型通过VDM → 暗希格斯玻色子 → b̄b衰变链成功重现了银河系中心观测到的GeV能段伽马射线过量。
• 希格斯门耦合实现了可重整化且味依赖的相互作用，使暗希格斯玻色子能够衰变为底夸克，从而产生所需的光子谱。
• 该模型中相当大一部分参数空间可被近期直接探测实验（如LUX和XENON1T）探测到。
• 该模型预测了暗物质与核子之间可探测的自旋无关散射截面，且与未来实验的预期灵敏度一致。
• 耦合的味依赖性质确保了暗希格斯玻色子的主要衰变道为底夸克对，这对匹配观测到的伽马射线谱至关重要。
• 在当前天体物理和对撞机约束下，该模型依然可行，且与现有数据无冲突。