[论文解读] Scalar Split WIMPs and Galactic Gamma-Ray Excess

Karim Ghorbani, Parsa Ghorbani|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2014

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种具有两个实单态标量的可重整化标量暗物质模型，其质量分裂较小（$\delta$），通过希格斯门户相互作用。该模型在 $m_{\text{DM}} \sim 63$ GeV 时解释了费米-LAT观测到的银河系伽马射线过量，同时满足大型强子对撞机（LHC）的隐形希格斯衰变、直接探测（XENON100、LUX）以及遗迹丰度约束，得益于共湮灭和混合效应，使其对未来的直接探测限制具有鲁棒性。

ABSTRACT

We consider a simple renormalizable dark matter model consisting of two real scalars with a mass splitting $\delta$, interacting with the SM particles through the Higgs portal. We find a viable parameter space respecting all the bounds imposed by invisible Higgs decay experiments at the LHC, the direct detection experiments by XENON100 and LUX and the dark matter relic abundance provided by WMAP and Planck. Despite the singlet scalar dark matter model that is fragile against the future direct detection experiments, the scalar split model introduced here survives such forthcoming bounds. We emphasize on the role of the co-annihilation processes and the mixing effects in this feature. For $m_{ ext{DM}} \sim 63$ GeV in this model we can explain as well the observed gamma-ray excess in the analyses of the Fermi-LAT data at Galactic latitudes $2^{\circ} \leq |b| \leq 20^{\circ}$ and Galactic longitudes $|l| < 20^{\circ}$.

研究动机与目标

• 开发一种可行的标量暗物质模型，以解释费米-LAT观测到的银河系伽马射线过量。
• 确保与大型强子对撞机（LHC）的隐形希格斯衰变所施加的严格约束相容。
• 满足来自XENON100和LUX实验的直接探测限制。
• 与WMAP和普朗克卫星观测到的暗物质遗迹丰度保持一致。
• 通过共湮灭和混合效应，证明该模型对未来的直接探测实验具有抗性。

提出的方法

• 引入一个双标量单态模型，其中暗物质候选者与一个较重的标量伙伴之间存在较小的质量分裂 $\delta$。
• 通过希格斯门户实现与标准模型的相互作用，确保可重整化性。
• 利用两个标量之间的共湮灭过程来抑制直接探测信号，同时保持正确的遗迹丰度。
• 引入两个标量态之间的混合效应，以修改有效耦合并抑制直接探测截面。
• 在参数空间中进行数值扫描，以识别满足所有实验约束的区域。
• 将暗物质湮灭预测的伽马射线发射与费米-LAT在银心区域（$|b| \leq 20^\circ$，$|l| \leq 20^\circ$）的数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有小质量分裂的标量暗物质模型能否解释费米-LAT观测到的银河系伽马射线过量？
• RQ2 共湮灭过程在直接探测约束下如何影响标量暗物质模型的可行性？
• RQ3 标量态之间的混合效应在多大程度上抑制了该模型中的直接探测截面？
• RQ4 该模型是否与大型强子对撞机（LHC）的隐形希格斯衰变限制一致？
• RQ5 在未来的直接探测灵敏度提升下，该模型是否仍保持可行性？

主要发现

• 存在一个可行的参数空间，使得标量分裂WIMP模型满足LHC隐形希格斯衰变的所有约束。
• 即使未来实验灵敏度提高，该模型仍与XENON100和LUX的直接探测限制保持一致。
• 两个标量态之间的共湮灭过程在抑制直接探测信号方面起着关键作用。
• 标量态之间的混合效应进一步降低了对核子的有效耦合，增强了模型的鲁棒性。
• 在 $m_{\text{DM}} \sim 63$ GeV 时，该模型能够同时解释费米-LAT数据中观测到的银河系伽马射线过量。
• 由于质量分裂、共湮灭和混合效应的协同作用，该模型对未来的直接探测限制具有鲁棒性。