[論文レビュー] MeV-GeV $\gamma$-ray telescopes probing gravitino LSP with coexisting axino NLSP as dark matter in the $\mu u$SSM

G. A. Gomez-Vargas, Daniel E. López-Fogliani+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 84被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、µνSSMにおける多成分ダークマターのシナリオを調査しており、重力ソ粒子が最軽いスピン特異粒子（LSP）であり、アキシノが次に軽いスピン特異粒子（NLSP）である。両者ともダークマターに寄与する。アキシノは光子とニュートリノに崩壊し、検出可能な単色性のγ線線を生成する。一方、重力ソ粒子はアキソンとアキシノに崩壊する。将来のMeV-GeV帯のγ線望遠鏡、例えばe-ASTROGAMは、パラメータ空間の広範な領域を探索可能であり、特殊な場合に二重線信号が得られる可能性がある。

ABSTRACT

In $R$-parity violating supersymmetry, the gravitino as the lightest supersymmetric particle (LSP) is a good candidate for dark matter, with the interesting characteristic to be detectable through $\gamma$-ray telescopes. We extend this analysis considering an axino next-to-LSP (NLSP) as a coexisting dark matter particle contributing with a detectable signal in the $\gamma$-ray spectrum. The analysis is carried out in the framework of the $\mu u$SSM, which solves the $\mu$ problem reproducing simultaneously neutrino data only with the addition of right-handed neutrinos. We find that important regions of the parameter space can be tested by future MeV-GeV $\gamma$-ray telescopes through the line signal coming from the decay of the axino NLSP into photon-neutrino. In a special region, a double-line signal from axino NLSP and gravitino LSP is possible with both contributions detectable.

研究の動機と目的

• µνSSMにおける重力ソLSPおよびアキシノNLSPを有する多成分ダークマターのシナリオの宇宙論的およびγ線的シグネチャーを調査すること。
• R-奇性破れの相互作用を通じて、アキシノNLSPが光子-ニュートリノに崩壊する際に生じる単色性のγ線線が、MeV-GeV帯望遠鏡で検出可能かどうかを評価すること。
• 重力ソLSPおよびアキシノNLSPの同時崩壊によって生じる二重線信号の可能性を評価すること。
• ダーク放射および残存密度を含む宇宙論的観測結果を用いてモデルを制約し、将来のγ線ミッションの感度を予測すること。
• 現在のおよび将来のγ線望遠鏡、特にe-ASTROGAMの感度を、予測された線スペクトルに対して比較すること。

提案手法

• 本研究では、µ-problemを解決し、右回りニュートリノを介してニュートリノ質量を説明するµνSSMフレームワークを採用する。
• R-奇性破れの相互作用を用いて、アキシノNLSPの光子-ニュートリノへの崩壊幅を計算し、Eγ = m˜a/2 で単色性のγ線線が得られることを示す。
• R-奇性保存の相互作用のもとで、重力ソLSPのアキソン-アキシノへの崩壊幅を計算し、全ダークマターの残存密度に寄与することを示す。
• 銀河中心におけるホール密度プロファイル（NFW、ムーア、エイナストなど）を用いて、D要因（崩壊用）およびJ要因（散乱用）の形式を適用し、両崩壊からのγ線フラックスを導出する。
• e-ASTROGAMの期待される性能を用いて感度予測を計算し、銀河中心の10°×10°のROIを想定し、1年間の観測時間と仮定する。
• Fermi-LATのデータおよび宇宙論的制約（ダーク放射および残存密度を含む）を用いて、妥当なパラメータ空間を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アキシノNLSPが光子とニュートリノに崩壊することで、MeV-GeV帯望遠鏡で検出可能な単色性のγ線線が生成されるか？
• RQ2 R-奇性破れを伴うµνSSMにおいて、アキシノNLSPが全ダークマター残存密度の何パーセントを占め得るか？
• RQ3 重力ソLSPおよびアキシノNLSPの両方が、同時に解明可能なγ線線スペクトルを生成するパラメータ空間のどの領域に位置するか？
• RQ4 e-ASTROGAMのような将来のMeV-GeV帯γ線望遠鏡は、この多成分ダークマターのシナリオから予測される線スペクトルに対してどの程度感度を示すか？
• RQ5 ダーク放射および残存密度に起因する宇宙論的制約は、重力ソ-アキシノ多成分ダークマターモデルの妥当なパラメータ空間にどのような制限を課えるか？

主な発見

• アキシノNLSPは、Eγ = m˜a/2 の単色性の線を有する光子-ニュートリノへの崩壊を経て、MeV-GeV帯のγ線望遠鏡で検出可能な信号を生成する。
• 重力ソLSPはアキソンとアキシノに崩壊し、全残存密度に寄与する。両崩壊が観測可能であれば、二重線γ線信号が得られる。
• e-ASTROGAMは、特にアキシノ質量が10 MeVから1 GeVの範囲で、パラメータ空間の広範な領域を探索可能であり、m˜a ≈ 100 MeVの場合、崩壊幅の感度限界が約10^(-30) s⁻¹に達する。
• 特別なパラメータ領域では、アキシノおよび重力ソの両崩壊から生じる二重線信号が得られ、両線ともe-ASTROGAMで解像可能である可能性がある。
• 銀河中心の10°×10°ROIにおけるNFWプロファイルのD要因は11.8、J要因は174であり、γ線フラックスおよび感度限界の計算に使用された。
• 本研究では、より最適化されたROI（例：60° < |b| < 90°）を用いることで、銀河中心ROIに比べて信号対背景比および感度が約8.4倍向上することを示した。