[論文レビュー] Explaining the Fermi Galactic Centre Excess in the CMSSM

Andrew J. Williams|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 92被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、LUX、IceCube、LHCの制限と矛盾するが、コンstrained minimal supersymmetric standard model (CMSSM) 内でFermi銀河中心過剰（GCE）を説明できることを示している。GCEがすべての実験的データと整合する、狭く明確に予測可能なCMSSMパラメータ空間の領域—中性ノの質量200–280 GeV、グルーギノの質量1.3–1.7 TeV、重いスクォークを特徴とし、近い将来に4つの異なるチャンネルで観測可能な信号を予測する。

ABSTRACT

We present an analysis of the compatibility between the Galactic Centre Excess (GCE) and the Constrained MSSM (CMSSM). We perform a global fit to the relevant experimental data including the GCE taking into account the systematic uncertainties. We find that the CMSSM is able to account for the GCE and maintain agreement with the other experimental searches, providing the first example that the GCE can be explained in the framework of universal supersymmetry. We map out the region compatible at 2 sigma and comment on its phenomenology. We find that for the CMSSM to explain the GCE the solution must lie close to the existing limits from LUX, IceCube and the LHC. We show that this provides definite predictions for Run 2 of the LHC, Xenon-1T and future observation with IceCube. Thus there exists the exciting possibility that the CMSSM could be observed in four distinct experimental channels over the next few years, which would be a striking signature for universal supersymmetry.

研究の動機と目的

• CMSSM、つまり非常に制約の強い超対称性フレームワークが、ダークマター対消滅による銀河中心過剰（GCE）を説明できるかどうかを検証すること。
• 背景モデルのシステムティックな不確実性を考慮した場合、GCEがLUX、IceCube、LHCデータなどの既存の実験的制限と整合するかを評価すること。
• GCEと他の観測データを同時に適合させる、CMSSMパラメータ空間の妥当な領域を同定すること。
• LHCラン2、Xenon-1T、IceCubeなどの将来的な実験における明確で検証可能な予測を導出すること。

提案手法

• すべての関連実験的データ、GCEを含む、システムティックな不確実性を尤度関数に組み込んだ、グローバルな頻度的χ²解析を実施した。
• GCEがχ²に与える寄与は、過剰分についてガウス尤度としてモデル化され、背景の不確実性は自由パラメータとして扱われた。
• ヒッグスボソンの質量と結合定数はFeynHiggsとHIGGSSIGNALSを用いて計算され、LHCおよびHiggsBoundsからの制限が適用された。
• LUXからの直接検出制限は、m_χ–σ_{\text{SI}}平面における尤度マップを介して実装された一方、LHCおよびIceCubeの制限は上限として組み込まれた。
• スパーティクル質量とその不確実性の最適値を特定するために、プロファイル尤度スキャンが用いられた。
• モデルの妥当性に与えるGCE項の影響を評価するために、GCE項を含む・含まない両方の総χ²を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMSSMは、すべての現在の実験的制限と整合しつつ、Fermi銀河中心過剰（GCE）を説明できるか？
• RQ2 GCEがCMSSMにおける中性ノの対消滅によって生じる場合、スパーティクル質量および断面積の具体的な予測は何か？
• RQ3 背景モデルにおけるシステムティックな不確実性の取り入れが、CMSSMがGCEの説明としての妥当性に与える影響は何か？
• RQ4 LHCラン2、Xenon-1T、IceCubeなどの将来的な実験で、GCE信号を検出する見通しはどのようになるか？
• RQ5 LUX、IceCube、またはLHCからの既存の制限に反しないCMSSMパラメータ空間の領域は存在するか？

主な発見

• CMSSMは、他の実験的制限と整合しつつ、2σレベルでGCEを説明可能であり、これは普遍的な超対称性フレームワークにおいて初めての例である。
• GCEの好ましい領域はフォーカスポイント領域に位置し、中性ノの質量は200–280 GeV、最軽いチルジンオの質量は250–350 GeV、グルーギノの質量は1.3–1.7 TeVである。
• スピン不変散乱断面積は、次のLUXアップデートおよびXenon-1Tで検出可能な大きさであり、数百件のイベントが予想される。
• スピン依存散乱断面積は、数年間の運用後、IceCubeで到達可能となり、補足的な検出チャンネルを提供する。
• スクォーク質量は4.5 TeVを超えると予測され、LHCラン2では到達不可能であるが、グルーギノと電磁的ニューオジンはLHCの発見範囲内に残る。
• このシナリオは、直接検出、ニュートリノ望遠鏡、およびLHCの数年以内の多チャンネル発見可能性を予測しており、顕著である。