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

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

Particle physics theoretical and experimental studies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。重力ソ粒子も光子-ニュートリノ対に崩壊するため、二重線信号が得られる。今後のMeV-GeV帯のγ線望遠鏡、例えばe-ASTROGAMは、両方の線が検出可能な特別な領域を含め、パラメータ空間の広範な領域を探索可能となる。

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 $γ$-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 $γ$-ray spectrum. The analysis is carried out in the framework of the $μν$SSM, which solves the $μ$ 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 $γ$-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フレームワーク下での重力ソ粒子LSPおよびアキシノNLSPを有する多成分ダークマターの宇宙論的およびγ線的シグネチャーを調査すること。
• アキシノNLSPが光子-ニュートリノに崩壊するγ線線シグネチャーの検出可能性を評価すること。
• e-ASTROGAMやAMEGOなどの今後のγ線望遠鏡が、MeV-GeVエネルギー範囲におけるこの二重線信号をどの程度の感度で検出可能かを特定すること。
• Fermi-LATおよびCOMPTELの現在のγ線データを用いてパラメータ空間を制約し、発見の可能性を評価すること。

提案手法

• 研究は、右側ニュートリノを介してμ問題を同時に解決し、ニュートリノデータを再現するμνSSMを用いる。
• R対称性破れ相互作用を用いて、アキシノNLSPの光子-ニュートリノへの崩壊幅を計算し、崩壊率はアキシノ質量および結合定数に依存する。
• R対称性破れの下で、重力ソ粒子LSPの光子-ニュートリノへの崩壊を評価し、崩壊率は結合定数の二乗および重力ソ粒子質量に比例する。
• 重力ソ粒子およびアキシノの両方の寄与を考慮した多成分ダークマター系の残存密度を計算し、ダーク放射およびBBNの制約を適用する。
• NFW、ムーア、イナスト、バーキャートのさまざまなダークマター密度プロファイルを用い、銀河中心付近の10°×10°のROIで、両崩壊からのγ線フラックスをD要因およびJ要因を用いて計算する。
• e-ASTROGAMの感度予測は、γ線線フラックスの上限と期待される信号強度を比較することで導出され、保守的なROIと標準的な機器パrameterを用いる。

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範囲で検出可能な単色性のγ線線が生成可能か？
• RQ2 重力ソ粒子LSPも光子-ニュートリノ対に崩壊し、第二のγ線線を生成可能か？ 両方の線を同時に観測可能か？
• RQ3 e-ASTROGAMなどの今後のγ線望遠鏡が探査可能なμνSSMのパラメータ空間の領域はどこか？
• RQ4 現在のγ線観測（Fermi-LAT、COMPTEL）は、この多成分ダークマターモデルのパラメータ空間をどの程度制約するか？
• RQ5 NFW、ムーア、イナスト、バーキャートの異なるダークマター密度プロファイルは、γ線線シグネチャーの検出可能性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• e-ASTROGAMなどの今後のMeV-GeV帯γ線望遠鏡は、重力ソ粒子LSPおよびアキシノNLSPを有するμνSSMのパラメータ空間の広範な領域を探索可能である。
• 特別なパラメータ空間領域では、アキシノおよび重力ソ粒子の両崩壊からの二重線γ線信号が観測可能であり、e-ASTROGAMによって両線が検出可能である。
• Fermi-LATおよびCOMPTELの現在のγ線データは、アキシノ質量が約100 MeV未満および重力ソ粒子質量が約100 GeV未満の領域を除外している。
• e-ASTROGAMのDM崩壊への感度（Nγ(dec) = 1）は、さまざまなダークマター密度プロファイル（D要因：4.44〜19.0）を想定して予測され、広い質量範囲で信号を検出可能である。
• 銀河ハロー領域（60° < |b| < 90°）を用いることで、銀河中心ROIを用いた散乱研究と比較して、信号対背景比が向上し、検出可能性が向上することが示された。
• セキシオンの性質が適切に調整されており、遅延したエントロピー注入を避ける限り、モデルはBBNおよびダーク放射の制約と整合的である。