Dark matter annihilation into leptons through gravity portals
Dark matter annihilation into leptons through gravity portals
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暗物质通过重力门户湮灭成轻子
DOI：
10.1007/jhep04(2021)108
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发表时间：
2021-04
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Dai Ben-Zhong
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Sun Xudong;Dai Ben-Zhong
暗物质(DM)占宇宙物质的85%。然而，其特定的粒子属性仍不清楚。DM粒子受引力相互作用的基本原理，以及宇宙线中的轻子过剩可能来自DM粒子的基本原理，激励我们研究DM粒子的标准模型以外的性质。我们假设自然界中存在一个亲轻子的SU(2)双重态，作为连接DM和可见轻子的介体。由于广义相对论在量子水平上是不可重整化的，它应该被视为有效场论的主导阶项。次前导阶项的一种应该是与Ricci标量成线性并且包含标量场的算符，例如Higgs场、标量Dm或新引入的SU(2)标量双重态。这些操作员可以通过重力入口导致DM湮灭。我们分析了宇宙反质子通量、DM遗迹丰度、宇宙正电子通量、宇宙微波背景和直接探测实验的制约因素。结果表明，存在与现有实验相适应的广阔的参数空间。具有电弱标度质量的DM只被允许湮灭成轻子。我们进一步表明，纯粹的引力Dm能更好地解释暗物质粒子探测器宇宙轻子过剩现象。我们的工作为DM粒子与标准模型粒子的连接提供了一种很有前途的机制。
Dark matter (DM) constitutes 85% of the matter in the Universe. However, its specific particle property is still unclear. The fundamentals of DM particles subject to gravitational interaction, and that the lepton excess in cosmic rays may originate from DM particles, inspired us to investigate DM particle properties beyond the standard model. We assume that a leptophilic SU(2) doublet exists in nature as the mediator connecting DM with visible leptons. Since general relativity is not renormalizable at the quantum level, it should be regarded as an effective field theory’s leading order term. One species of the next-to-leading-order term should be operators linear to the Ricci scalar and containing scalar fields, such as the Higgs field, scalar DM, or the newly introduced SU(2) scalar doublet. These operators can cause DM annihilation through gravity portals. We analyzed constraints from the cosmic antiproton flux, DM relic abundance, cosmic positron flux, cosmic microwave background, and direct detection experiments. The result shows that there is a vast parameter space that is compatible with current experiments. DM with a mass of electroweak scale is only allowed to annihilate into leptons. We further show that the purely gravitational DM better explains the DArk Matter Particle Explorer cosmic lepton excess. Our work provides a promising mechanism for DM particles to connect with standard model particles.
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