[論文レビュー] 130 GeV Gamma Ray Signal in NMSSM by Internal Bremsstrahlung

Gaurav Tomar, Subhendra Mohanty+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2013

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、次に最小の超対称標準模型（NMSSM）における130 GeVのビノ暗黒物質候補を提案し、内部ブレムストラーラー（$\chi\chi\rightarrow f\bar{f}\gamma$）を通じてフェルミ-LATが観測した130 GeVのガンマ線過剰を説明する。モデルはステウ共崩壊によって正しいリリック密度を達成し、125 GeVのヒッグス粒子質量を満たし、XENON100の制約を回避し、必要なブースト因子が約590であるためXENON1Tで検出可能な信号を予測する。

ABSTRACT

There is a possible γ-ray signal at 130 GeV coming from the Galactic Center as seen by Fermi-LAT experiment. We give a SUSY dark matter model to explain this γ-ray feature in NMSSM. We show that in NMSSM, one can have a benchmark set in which the γ-ray signal arises from final state γ's in the $χχ o f \bar f γ$ annihilation of a 130 GeV bino dark matter requiring a boost factor of ~590 to fit the γ-ray signal. In addition, this benchmark set also gives the correct relic density, lightest Higgs mass of 125 GeV and is consistent with constraints on SUSY from LHC. This dark matter model evades the XENON100 constraint but is testable in a future XENON1T experiment.

研究の動機と目的

• フェルミ-LATが銀河中心で観測した130 GeVガンマ線信号を、超対称的暗黒物質モデルで説明すること。
• 130 GeVのビノLSPが共鳴状態を精密に調整することなく、内部ブレムストラーラーによって信号を生成できる自然なNMSSMのシナリオを構築すること。
• 正しいリリック密度、125 GeVのヒッグス粒子質量、LHCデータとの整合性を含む、宇宙論的および加速器の制約を満たすこと。
• 現在の直接検出限界（XENON100）を回避しながら、将来の実験（XENON1T）で検出可能であることを保証すること。
• モデルが宇宙線背景を超えて電子・陽電子や反プロトンフラックスを過剰に生成しないかを検証すること。

提案手法

• シングレット超対称場を導入することで、シングレチノ-ヒッグス粒子混合による自然なヒッグス粒子質量の生成を可能にするNMSSMフレームワークを用いる。
• 内部ブレムストラーラー（$\chi\chi\rightarrow f\bar{f}\gamma$）を用いて、大きな混合を必要とせずに光子最終状態を強化し、ヘリシティ抑制を克服する。
• 130 GeVのビノLSP、低エネルギーのステウ質量（約135 GeV）、大きな$\lambda \sim -0.62$結合を有するベンチマークパラメータを設定し、正しいリリック密度とヒッグス粒子質量を達成する。
• micrOMEGAs 3.1を用いて崩壊断面積とフラックスを計算し、それをGALPROPに供給して銀河内での伝搬を計算する。
• 等温な暗黒物質密度プロファイルと約590のブースト因子を導入し、フェルミ-LATのガンマ線信号に一致させる。
• 有効ラグランジアンを用いて直接検出断面積を評価し、XENON100およびXENON1Tの実験的限界と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 130 GeVのフェルミ-LATガンマ線過剰は、NMSSMにおける130 GeVのビノ暗黒物質候補が内部ブレムストラーラーによって説明可能か？
• RQ2 このモデルで$\mu$パラメータの微調整を必要とせずに、正しいリリック密度と125 GeVのヒッグス粒子質量を達成可能か？
• RQ3 宇宙線からの電子・陽電子および反プロトンフラックスの制約と整合性を保っているか？
• RQ4 XENON100の直接検出限界を回避しながら、XENON1Tで検出可能か？
• RQ5 他の宇宙線種を過剰に生成しない範囲で、フェルミ-LAT信号に適合させるために必要なブースト因子はどれくらいか？

主な発見

• 130 GeVのビノ暗黒物質モデルは、必要なブースト因子が約590である内部ブレムストラーラーによってフェルミ-LATの130 GeVガンマ線信号を説明する。
• ステウ共崩壊によって、ステウ質量が約135 GeVの近傍で正しいリリック密度が達成される。
• スカラーポテンシャルにおける$\lambda \sim -0.62$結合により、125 GeVのヒッグス粒子質量が実現される。
• スピン不変の直接検出断面積は$\sigma^{p}_{\rm SI} = 5.8 \times 10^{-10}$ pbであり、XENON100の限界を下回るが、XENON1Tで検出可能である。
• スピン依存の断面積は$\sigma^{p}_{\rm SD} = 6.21 \times 10^{-6}$ pbであり、Super-KおよびIceCubeの現在の限界をはるかに下回る。
• 電子・陽電子および反プロトンフラックスは過剰に生成されず、フェルミ-LATおよび他の宇宙線データと整合性を保っている。