[論文レビュー] Interpreting the galactic center gamma-ray excess in the NMSSM

Junjie Cao, Liangliang Shang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、ニュートリノ質量のない最小超対称標準模型（NMSSM）において、サイクロトロン質量の支配的ヒッグス粒子および中性ノイザー粒子を含む複数の最終状態を介したダークマター（DM）の消失によって生じる銀河中心ガンマ線過剰を調査している。GCEは、$\chi_1^0\chi_1^0 \to A_1H_i$ 消失過程によって最もよく説明され、$p$-値が0.55に達する。XENON-1Tは、ほぼすべての妥当な解をテストできる見込みである。

ABSTRACT

In the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), all singlet-dominated particles including one neutralino, one CP-odd Higgs boson and one CP-even Higgs boson can be simultaneously lighter than about 100 GeV. Consequently, dark matter (DM) in the NMSSM can annihilate into multiple final states to explain the galactic center gamma-ray excess (GCE). In this work we take into account the foreground and background uncertainties for the GCE and investigate these explanations. We carry out a sophisticated scan over the NMSSM parameter space by considering various experimental constraints such as the Higgs data, $B$-physics observables, DM relic desnity, LUX experiment and the dSphs constraints. Then for each surviving parameter point we perform a fit to the GCE spectrum by using the correlation matrix that incorporates both the statistical and systematic uncertainties of the measured excess. After examining the properties of the obtained GCE solutions, we conclude that the GCE can be well explained by the pure annihilations $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o b \bar{b} $ and $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o A_1 H_i $ with $A_1$ being the lighter singlet-dominated CP-odd Higgs boson and $H_i$ denoting the singlet-dominated CP-even Higgs boson or SM-like Higgs boson, and it can also be explained by the mixed annihilation $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o W^+ W^-, A_1 H_1$. Among these annihilation channels, $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o A_1 H_i $ can provide the best interpretation with the corresponding $p$-value reaching 0.55. We also discuss to what extent the future DM direct detection experiments can explore the GCE solutions and conclude that the XENON-1T experiment is very promising in testing nearly all the solutions.

研究の動機と目的

• 銀河中心ガンマ線過剰（GCE）を、次に最小超対称標準模型（NMSSM）におけるダークマター（DM）の消失によって説明すること。
• Fermi-LATデータからの統計的および系統的誤差を組み込んだ相関行列を用いて、GCEスペクトルにおける前景および背景の不確実性を扱うこと。
• ヒッグス粒子のデータ、$B$-物理学の観測量、DMの残存密度、LUX、および矮星銀河（dSph）制約を含む、複数の実験的制約のもとでNMSSMパラメータ空間を包括的にスキャンすること。
• 観測されたGCEの形態およびエネルギースペクトルを同時に再現できる、妥当なDM消失過程を同定すること。

提案手法

• ヒッグス信号強度、$B$-物理学の観測量、DMの残存密度、LUX直接検出、および矮星銀河（dSph）限界からの制約を適用した、NMSSMパラメータ空間におけるグローバルスキャンを実施する。
• 統計的および系統的誤差をFermi-LATデータから組み込んだ相関行列を用いて、GCEスペクトルにフィットする。
• 中性ノイザー（$\tilde{\chi}_1^0$）、CP奇性ヒッグス（$A_1$）、およびCP偶性ヒッグス（$H_i$）を含む、シングレット支配の粒子を含むDM消失過程を特定・分析する。
• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to b\bar{b}$、$W^+W^-$、$A_1H_i$、および混合モードの消失断面積およびガンマ線スペクトルを計算する。
• 各消失過程の統計的有意度を評価するため、$p$-値を用いてフィットの良さを評価する。
• 特にXENON-1Tを含む、将来の直接検出実験が、GCEに有利なパラメータ点をどの程度探査できるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての現在の実験的制約を考慮した場合、銀河中心ガンマ線過剰は、NMSSMにおけるダークマターの消失によって一貫して説明可能か？
• RQ2 特定のDM消失過程（$b\bar{b}$、$W^+W^-$、$A_1H_i$、または混合モード）の中で、観測されたGCEスペクトルおよび形態を最もよく再現するのはどれか？
• RQ3 前景および背景の不確実性は、NMSSMフレームワークにおけるGCEの解釈にどのように影響するか？
• RQ4 NMSSMにおける最良のフィット消失過程の統計的有意度（$p$-値で測定）はどの程度か？
• RQ5 XENON-1Tのような将来の直接検出実験は、NMSSMにおけるGCEに有利な解をどの程度まで探査できるか？

主な発見

• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to A_1H_i$ 消失過程がGCEの最も良い説明を提供し、$p$-値が0.55に達する。これは統計的に許容できるフィットを示している。
• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to b\bar{b}$ の過程も、GCEスペクトルおよび形態と整合する、妥当な説明を提供している。
• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to W^+W^-, A_1H_1$ のような混合消失モードも、データと整合し、妥当な説明を提供している。
• $A_1H_i$ 過程が好まれるのは、GCEの高エネルギー尾部と一致するスペクトルを生成しつつ、実験的制約内に収まる能力のおかげである。
• XENON-1Tは、NMSSMにおけるGCEに有利なパラメータ点のほぼすべてを検出可能であると予想されており、このシナリオの強力なプローブとなる。
• この分析により、NMSSMにおけるシングレット支配のヒッグスおよび中性ノイザー粒子が、100 GeV未満に同時に軽いことが確認され、複数の消失過程がGCEに寄与できることが示された。