[论文解读] Leptonic Indirect Detection Signals from Strongly Interacting Asymmetric Dark Matter

Yi Cai, David E. Kaplan+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 21

一句话总结

该论文提出了一种强相互作用、非对称的TeV尺度暗物质模型，其中标准模型的B-L不对称性通过一个维度-5算符传递至暗物质 sector，生成了暗物质粒子-反粒子不对称性。通过微小的马约拉纳质量项，暗物质-反物质振荡使得暗物质在晚期通过强相互作用的暗物质媒介子衰变为轻子，产生与PAMELA、FERMI和HESS数据一致的宇宙射线电子-正电子过量，截面约为1 nb，暗物质质量接近2 TeV。

ABSTRACT

Particles with TeV mass and strong self-interactions generically have the right annihilation cross section to explain an observed excess of cosmic electrons and positrons if the end-product of the annihilation is charged leptons. We present an explicit model of strongly-coupled TeV-scale dark matter whose relic abundance related to the matter-antimatter asymmetry of the observed universe. The B - L asymmetry of the standard model is transfered to the dark sector by an operator carrying standard model lepton number. Lepton number violation naturally induces dark matter particle-antiparticle oscillations at late times, allowing dark matter-antimatter annihilations today. The dark matter annihilates into lighter strongly-interacting particles in the dark sector that decay to leptons via the transfer operator. The strong dynamics in the dark sector is at the weak scale due to supersymmetry breaking. The correct dark matter abundance is automatically obtained for natural values of dimensionless parameters, analogous to the situation for conventional WIMPs.

研究动机与目标

• 解释高能宇宙射线电子和正电子的观测过量，而无需引入天体物理源。
• 调和TeV尺度暗物质质量与数据所需的较大湮灭截面（~1 nb）之间的矛盾。
• 通过粒子-反粒子振荡，提供暗物质不对称性和晚期湮灭的自然机制。
• 通过超对称性将暗物质sector的强动力学与电弱对称性自发破缺联系起来。

提出的方法

• 引入一个维度-5算符，将标准模型的B-L不对称性耦合至具有守恒U(1)_X规范荷的暗物质sector。
• 假设暗物质sector在TeV尺度为强耦合的共形场论，具有TeV尺度的复合态（核子、介子）。
• 利用微小的马约拉纳质量项诱导暗物质-反物质振荡，使银河系晕中发生湮灭。
• 在超对称框架下，SUSY破缺质量触发暗物质sector中的共形对称性破缺。
• 通过一阶图推导有效相互作用，使暗物质sector介子可衰变为带电轻子。
• 利用冻结温度和玻尔兹曼抑制计算遗迹丰度，表明当M ~ 2 TeV时结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 强相互作用、非对称的暗物质模型能否产生观测到的宇宙射线电子-正电子过量？
• RQ2 在TeV尺度下，如何自然地产生大湮灭截面（~1 nb）而无需微调？
• RQ3 在缺乏反粒子的暗物质不对称性模型中，何种机制可实现晚期湮灭？
• RQ4 如何将暗物质sector的强动力学与电弱对称性破缺联系起来？
• RQ5 此类模型在对撞机和间接探测中的信号特征是什么？

主要发现

• 该模型在暗物质质量约为2 TeV时，成功实现了正确的暗物质遗迹丰度，冻结温度T_f ≈ M/7.6。
• 由于强相互作用暗物质sector中的s波增强，湮灭截面在低速下自然地达到~1 nb。
• 微小的马约拉纳质量诱导了暗物质-反物质振荡，使尽管初始存在不对称性，仍可在晚期发生湮灭。
• 轻量级暗物质sector介子通过一阶图衰变为带电轻子，当κ ≥ 10⁻⁴ GeV时，衰变长度短于kpc。
• 该模型预测了与PAMELA、FERMI和HESS观测一致的高能带电轻子通量。
• 由于弱耦合和大暗物质质量，预期无直接探测信号，而对撞机信号虽被抑制但可能通过LSP衰变探测到。