[论文解读] The KSVZ Axion and Pseudo-Nambu-Goldstone Boson Models for the XENON1T Excess

Tianjun Li|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 13

一句话总结

本文提出了三种模型——KSVZ轴子、DFSZ类以及$Z_8/U(1)_X$伪Nambu-戈尔登玻色子（PNGB）框架——以解释XENON1T中观测到的电子反冲过量现象，其核心是2.5 keV的轴子样粒子（ALP）暗物质候选者。这些模型通过引入矢量型轻子生成所需的$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$耦合，并借助异常自由的规范对称性或微调耦合来抑制$g_{a\gamma}$，同时keV量级的PNGB质量自然地由高维算符产生。

ABSTRACT

The XENON1T excess can be explained by the Axion Like Particle (ALP) dark matter with mass around 2.5 keV. However, there are three problems needed to be solved: suppressing the coupling $g_{aγ}$ between the ALP and photon, and generating the proper coupling $g_{ae}$ between the ALP and electron as well as the correct ALP mass. We propose three models to solve these problems. In our models, the $g_{ae}$ couplings are produced by integrating out the vector-like leptons, and the correct ALP masses arise from high-dimensional operators. In the KSVZ axion model, the coupling $g_{aγ}$ can be suppressed by choosing proper sets of vector-like fermions, but we need some fine-tunings to obtain the ALP mass. Similarly, one can study the DFSZ axion model. In the $Z_8$ and $ U(1)_X$ models with approximate Pseudo-Nambu-Goldstone Bosons (PNGBs), the coupling $g_{aγ}$ is suppressed due to $SU(3)_C imes U(1)_{ m EM}$ anomaly free. In the $Z_8$ model, the PNGB mass can be generated naturally at the keV scale via the dimension-8 operator. To solve the PNGB quality problem in the $ Z_8$ model, we embed it into the model with $ U(1)_X$ gauge symmetry.

研究动机与目标

• 通过2.5 keV轴子样粒子（ALP）暗物质候选者解释XENON1T在2–3 keV能量区间的电子反冲过量现象。
• 在保持$g_{a\gamma}$被抑制的同时，生成所需的电子耦合$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$。
• 通过高维算符自然地生成keV量级的ALP质量，避免精细调节。
• 通过$U(1)_X$规范扩展解决$Z_8$对称模型中的PNGB质量问题。

提出的方法

• 通过积分掉重费米子引入矢量型轻子，以生成$g_{ae}$耦合。
• 在PNGB模型中实施$SU(3)_C \times U(1)_{\rm EM}$异常自由的$U(1)_X$规范对称性，自然抑制$g_{a\gamma}$。
• 利用涉及$S^8 T^2$的高维算符，在$Z_8$模型中生成keV量级的PNGB质量。
• 通过$Z_2$对称性或五维体/膜结构设置，抑制$y^{XE}_{ik}$ Yukawa耦合，防止产生不必要的$g_{a\gamma}$贡献。
• 通过$T$场在弦尺度上的真空期望值（VEV）将$U(1)_X$对称性自发破缺为$Z_8$，并利用$\frac{y}{M^6_{\rm Pl}}\langle T\rangle^2 > \frac{1}{M^5_{\rm Pl}}|y'\langle T\rangle|$条件稳定势能。
• 将$Z_8$模型嵌入$U(1)_X$框架中，以解决PNGB质量问题并确保$g_{a\gamma}$的抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过2.5 keV ALP暗物质候选者，结合$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$与抑制后的$g_{a\gamma}$，解释XENON1T过量现象？
• RQ2 如何在不引入精细调节的前提下生成$g_{ae}$，同时确保$g_{a\gamma}$低于观测约束？
• RQ3 在异常自由模型中，keV量级的PNGB质量是否能通过高维算符自然生成？
• RQ4 如何解决$Z_8$对称模型中的PNGB质量问题？
• RQ5 在基于$U(1)_X$的模型中，是否可通过$SU(3)_C \times U(1)_{\rm EM}$异常自由性实现$g_{a\gamma}$的抑制？

主要发现

• XENON1T过量现象可通过2.5 keV ALP暗物质候选者与$g_{ae} = 2.5 \times 10^{-14}$解释，且与恒星冷却约束一致。
• 在KSVZ模型中，通过选择矢量型费米子可实现$g_{a\gamma}$的抑制，但ALP质量仍需精细调节。
• 在$Z_8$模型中，通过高维算符$\frac{y}{M^6_{\rm Pl}}|T^2||S|^8$自然生成keV量级的PNGB质量，得到$m_a \sim 2.5$ keV。
• 通过$Z_2$对称性或五维膜定位，$U(1)_X$扩展的$Z_8$模型可解决PNGB质量问题，禁止危险耦合。
• $g_{a\gamma}$耦合被抑制至$C_{a\gamma} \lesssim 2.9 \times 10^{-3} \left(\frac{f_a}{2 \times 10^{10}~{\rm GeV}}\right)$，满足宇宙X射线背景约束。
• 通过涉及矢量型轻子的Yukawa耦合，模型实现了$g_{ae} \sim 2.5 \times 10^{-14}$，其中$f_a \sim 2 \times 10^{10}$ GeV。