Je résume ton test en extérieur :
- 5D + 50mm,
- distance 5 à 6m
- diaphragme 5,
- sensibilité 100 ISO,
- > éclairage correct.

Le résultat me semble normal. Il correspond au nombre-guide de 42 (annoncé par Canon) diminué de 30% (parce que la prise de vue est faite en extérieur), ce qui donne un nombre-guide résultant de 30 environ.
Pour moi ton matériel fonctionne correctement.

Par ailleurs, tu dis que tu ne constates pas de différences particulières à faible distance et que les différences apparaissent à "grande" distance.

Il est alors possible que, pour tes photos de chats, tu te sois trouvé dans des conditions limites :
- un peu au delà de la limité de portée avec ton 5D (d'où la sous exposition),
- encore en deça de la limite de portée avec ton 60D (pour une focale donnée le réglage du réflecteur du flash selon le format du capteur donne un faisceau plus étroit pour les APS C, donc une portée plus grande).

La prochaine fois que tu fais des photos dans les mêmes conditions, règles ton 5D à une sensibilité supérieure (au moins le double) à celle de ton 60D.
Si mon hypothèse est bonne, cela devrait largement réduire tes différences d'exposition.

Une solution encore meilleure à mon sens pour ta tranquilité d'esprit : utilises un seul appareil.