[论文解读] Low Energy Gamma Ray Excess Confronting a Singlet Scalar Extended Inert Doublet Dark Matter Model

Amit Dutta Banik, Debasish Majumdar|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出了一种单重标量扩展的惰性双重态模型（SIDM），以解释银河系中心观测到的1–3 GeV低能伽马射线过量。通过引入一个与标准模型希格斯玻色子混合的单重标量，该模型使得31–40 GeV的暗物质候选者成为可能，该候选者满足宇宙微波背景辐射测量的暗物质丰度、直接探测限制（XENON、LUX）、LHC对$R_{\gamma\gamma}$的约束，并重现了与费米-LAT数据一致的所需$\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}} \sim 1.4{-}2.0 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3/s}$。

ABSTRACT

Recent study of gamma rays originating from the region of galactic centre has confirmed an anomalous $γ$-ray excess within the energy range 1-3 GeV. This can be explained as the consequence of pair annihilation of a 31-40 GeV dark matter into $b \bar b$ with thermal annihilation cross-section $σv \sim 1.4-2.0 imes 10^{-26}~ m{cm^3/s}$. In this work we revisit the Inert Doublet Model (IDM) in order to explain this gamma ray excess. Taking the lightest inert particle (LIP) as a stable DM candidate we show that a 31-40 GeV dark matter derived from IDM will fail to satisfy experimental limits on dark matter direct detection cross-section obtained from ongoing direct detection experiments and is also inconsistent with LHC findings. We show that a singlet extended inert doublet model can easily explain the reported $γ$-ray excess which is as well in agreement with Higgs search results at LHC and other observed results like DM relic density and direct detection constraints.

研究动机与目标

• 研究标准惰性双重态模型（IDM）是否能够解释费米- LAT观测到的银河系中心1–3 GeV伽马射线过量。
• 识别标准IDM在满足直接探测和LHC约束的前提下，容纳观测到的伽马射线过量的局限性。
• 提出一种单重标量扩展的IDM，使得31–40 GeV的暗物质候选者与所有当前实验约束一致。
• 证明扩展后的模型能够重现$b\bar{b}$湮灭所需的$\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}}$，以解释费米-LAT的伽马射线过量。

提出的方法

• 重新审视具有$Z_2$对称性的惰性双重态标准IDM，其不产生真空期望值（VEV）。
• 利用普朗克数据计算暗物质丰度，并与观测值进行比较。
• 利用XENON和LUX实验的约束，计算自旋无关直接探测截面$\sigma_{\rm SI}$。
• 引入一个获得非零VEV的实单重标量场，并与标准模型希格斯玻色子混合，生成新的物理标量态。
• 推导标准模型希格斯玻色子与新标量态之间的混合角及耦合，包括使用圈图振幅的$h_{i} \to \gamma\gamma$和$h_{i} \to \gamma Z$衰变宽度。
• 计算$b\bar{b}$湮灭截面$\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}}$，并将由此产生的伽马射线通量与费米-LAT在1–3 GeV范围内的观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有31–40 GeV暗物质候选者的标准惰性双重态模型（IDM）能否解释费米-LAT观测到的1–3 GeV伽马射线过量？
• RQ2 具有31–40 GeV暗物质候选者的IDM是否满足XENON和LUX实验的最新直接探测约束？
• RQ3 IDM是否与LHC对希格斯玻色子$R_{\gamma\gamma}$信号强度的约束一致？
• RQ4 在IDM中加入实单重标量是否能缓解与直接探测和LHC约束之间的矛盾，同时保持所需的$\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}}$？
• RQ5 扩展后的模型是否能产生与观测到的1–3 GeV过量一致的暗物质湮灭伽马射线通量？

主要发现

• 标准IDM无法解释1–3 GeV的伽马射线过量，因为31–40 GeV的暗物质候选者违反了XENON和LUX实验的直接探测约束。
• 该IDM候选者还违反了LHC对$R_{\gamma\gamma}$的约束，因为带电标量圈图贡献使$h \to \gamma\gamma$衰变率增强至超过观测极限。
• 单重标量扩展的IDM模型成功容纳了满足普朗克测量的暗物质丰度的31–40 GeV暗物质候选者。
• 由于新标量与标准模型希格斯玻色子之间的混合较小，该模型满足直接探测约束，从而抑制了核子散射截面。
• 该扩展模型预测$\langle\sigma v\rangle_{b\bar{b}} \sim 1.4{-}2.0 \times 10^{-26}\ \mathrm{cm^3/s}$，与1–3 GeV范围内观测到的伽马射线过量一致。
• 弱耦合的单重标量导致$R_{\gamma\gamma}$信号强度被抑制，与LHC数据一致，并可能在未来对撞机中被探测到。