[論文レビュー] Implications of the Fermi-LAT Pass 8 Galactic Center Excess on Supersymmetric Dark Matter

A. Achterberg, Melissa van Beekveld+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、フェルミ-LAT Pass 8銀河中心過剰（GCE）と超対称的ダークマターの整合性を再評価し、中性子のWボソンやトップクォークへの崩壊による散乱に注目する。中性子の質量が85–220 GeVの範囲にあるモデルは、直接検出、LHC、および矮星銀河球状星団の制約と整合し、一部のモデルでは電弱微調整が低くなることが判明した。

ABSTRACT

The Fermi Collaboration has recently updated their analysis of gamma rays from the center of the Galaxy. They reconfirm the presence of an unexplained emission feature which is most prominent in the region of $1-10$ GeV, known as the Galactic Center GeV excess (GCE). Although the GCE is now firmly detected, an interpretation of this emission as a signal of self-annihilating dark matter (DM) particles is not unambiguously possible due to systematic effects in the gamma-ray modeling estimated in the Galactic Plane. In this paper we build a covariance matrix, collecting different systematic uncertainties investigated in the Fermi Collaboration's paper that affect the GCE spectrum. We show that models where part of the GCE is due to annihilating DM can still be consistent with the new data. We also re-evaluate the parameter space regions of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM) that can contribute dominantly to the GCE via neutralino DM annihilation. All recent constraints from DM direct detection experiments such as PICO, LUX, PandaX and Xenon1T, limits on the annihilation cross section from dwarf spheroidal galaxies and Large Hadron Collider limits are considered in this analysis. Due to a slight shift in the energy spectrum of the GC excess with respect to the previous Fermi analysis, and the recent limits from direct detection experiments, we find a slightly shifted parameter region of the MSSM compared to our previous analysis that is consistent with the GCE. Neutralinos with a mass between $85-220$ GeV can describe the excess via annihilation into a pair of $W$-bosons or top quarks. Remarkably, there are low fine-tuning models among the regions that we have found. The complete set of solutions will be probed by upcoming direct detection experiments and with dedicated searches in the upcoming data of the Large Hadron Collider.

研究の動機と目的

• フェルミ-LAT Pass 8銀河中心過剰（GCE）が、自己散乱する超対称的ダークマター粒子によって説明可能かどうかを評価すること。
• 最新のPass 8データと最近の実験的制約を用いて、GCEと整合する最小限の超対称的標準模型（MSSM）のパラメータ空間を更新すること。
• ガンマ線スペクトルにおけるシステムティックな不確実性を考慮した上で、中性子がWボソンやトップクォークへと散乱するメカニズムがGCEの原因であるかどうかを評価すること。
• 妥当なMSSMモデルが低電弱微調整を示すかどうかを検証し、自然性を示唆するかどうかを判断すること。
• 本研究で同定されたMSSMパラメータ空間の領域が、近い将来の直接検出実験およびLHC探索によってどのようにプローブ可能かを特定すること。

提案手法

• フェルミ-LAT Pass 8解析におけるGCEスペクトルのシステムティックな不確実性（特にスペクトル形状と姿勢）を組み込むための共分散行列が構築された。
• 解析では、GCEフラックスの一部（1–10 GeV）が中性子ダークマターの散乱に起因すると仮定し、高エネルギー尾部（>10 GeV）には自由なべき乗則がフィットされた。
• 直接検出実験（PICO、LUX、PandaX、Xenon1T）、LHCの制約、および矮星銀河球状星団の散乱制約を含む、素性MSSM（pMSSM）のパラメータ空間がスキャンされた。
• 電弱微調整は、参考文献[41, 92, 93]の手法を用いて計算され、特に最軽い中性子のヒッグスイノ成分が微調整の主な駆動要因であるとされた。
• 解は主に2つの領域に分類された：W⁺W⁻散乱（80–120 GeV）とt̄t散乱（175–220 GeV）、それぞれストップおよびヒッグスボソン質量の異なる依存性を示した。
• 圧縮されたストップ、重いヒッグスボソン、チャージリンオ-ニュートラルノの連鎖崩壊を含むLHC探索と、モデルの整合性が評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新のデータと制約を踏まえた場合、フェルミ-LAT Pass 8銀河中心過剰は、MSSMにおける中性子ダークマターの散乱によって説明可能か？
• RQ2 GCEを説明しつつ、直接検出およびLHCの制約を満たす中性子質量と散乱チャンネルの範囲は何か？
• RQ3 GCEを説明しつつ、同時に低電弱微調整を示すMSSMモデルは存在するか？自然性を示唆するか？
• RQ4 新しいPass 8データとシステムティックな不確実性は、以前に同定されたGCEのパラメータ領域にどのように影響を与えるか？
• RQ5 近い将来の直接検出実験またはLHC探索によって、本研究で同定された妥当なMSSM領域をどの程度プローブできるか？

主な発見

• 85–220 GeVの中性子は、W⁺W⁻またはt̄t最終状態への散乱によって、Pass 8データとシステムティックな不確実性と整合するGCEを説明可能である。
• W⁺W⁻散乱チャンネルは、80–120 GeVの中性子に対して妥当であり、主にビノ成分が支配的で、わずかなウィノまたはヒッグスイノ混合を示し、電弱微調整が低い（<20）ことが判明した。
• t̄t散乱チャンネルは、175–220 GeVの中性子に対して妥当であり、2つのサブ領域に分けられる：1つは圧縮されたストップ-ニュートラルノスペクトル（ストップ質量が中性子質量に近い）で、もう1つは強化されたヒッグスイノ成分と重いヒッグスボソン（500–1000 GeV）を有する。
• 高ヒッグスイノ成分を有するt̄t領域のモデルでは微調整が低く、逆に小さなヒッグスイノ成分と軽いストップを有するモデルでは微調整が高くなる。
• 完全なW⁺W⁻領域およびヒッグスイノ強化t̄t領域は、近い将来の直接検出実験によってプローブ可能であり、LHCはストップおよび重いヒッグスボソン領域をテスト可能である。
• 本分析により、GCEが直接検出およびLHC探索の最近の制約にもかかわらず、自然なMSSMモデルにおいてもダークマター解釈と整合的であることが確認された。