[論文レビュー] Prospects for higgsino-singlino dark matter detection at IceCube and PINGU

Rikard Enberg, Shoaib Munir+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 110被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、次に最小限のスピン対称標準模型（NMSSM）におけるヒッグスノ・シンギュラノ暗黒物質を調査し、LHCの制約によりMSSMの中性子が失敗する質量領域—10 GeV未塔、60–100 GeV、500–1000 GeV—で、シンギュラノ主導の中性子が正しい残存密度を達成できることを示している。IceCubeとPINGUはそのような状態を探索可能であり、PINGUは10 GeVの暗黒物質に感度を示し、DeepCoreは1年間のデータで一部の点をすでに除外している。

ABSTRACT

We study neutralino dark matter (DM) with large singlino fractions in the next-to-minimal supersymmetric Standard Model (NMSSM). We perform a detailed analysis of the parameter space regions of the model that give rise to such singlino-dominated neutralinos while satisfying the constraints from Higgs boson searches at the Large Electron Positron (LEP) collider and the Large Hadron Collider (LHC), as well as from b-physics experiments. We find that this DM can yield a thermal relic density consistent with the Planck measurement in mass regions where the lightest neutralino of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM) generally cannot. This is particularly true for lighter DM masses, either less than 10 GeV or between 60-100 GeV, and for heavier DM masses, between 500-1000 GeV. We then analyse the prospects for indirect detection of such DM at the IceCube neutrino telescope, assuming the complete 86-string configuration including DeepCore. We also consider the added sensitivity to low-mass DM with the proposed PINGU extension. We find that IceCube is sensitive to some regions of the NMSSM parameter space containing singlino-dominated DM and that a subset of such model points are already ruled out by the IceCube one-year data. IceCube will also be sensitive to some parameter space regions that will not be probed by the upcoming ton-scale direct detection experiments. Moreover, we find that PINGU will be sensitive to DM in the 10 GeV range.

研究の動機と目的

• LHCとLEPの制約を満たし、観測された暗黒物質の残存密度を再現することができる、NMSSMにおける軽い中性子が顕著なシンギュラノ成分を持つパラメータ空間を同定すること。
• 太陽における中性子の消失から生じるニュートリノを介した間接検出の可能性を評価すること。
• IceCube、DeepCore、および計画中のPINGU検出器がこれらの暗黒物質候補に対してどの程度感度を持つのかを評価すること。
• ニュートリノ望遠鏡とXENON1Tのようなトンスケール直接検出実験が、暗黒物質パラメータ空間をどのように補完的に探査できるかを示すこと。

提案手法

• LEP、LHCのヒッグス探索、b物理学実験、Planckの残存密度測定からの制約を受けるNMSSMパラメータ空間の詳細なスキャン。
• IceCube NeutrinoFluxコードと大気的バックグラウンドモデルを用いて、太陽内の中性子消失から生じるニュートリノフラックスを計算。
• 点ごとの信号およびバックグラウンドシミュレーションを用いて、IceCube、DeepCore、PINGU検出器における信号の統計的有意性を評価。
• 1年間のデータの有意性から外挿し、PINGUおよびDeepCoreが5σの有意性に到達するまでに必要な暦年数を推定。
• 検出器間およびXENON1Tとの感度を比較し、ニュートリノ望遠鏡が唯一探査可能なパラメータ空間の領域を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのNMSSMパラメータ空間領域で、シンギュラノ主導の中性子が観測された暗黒物質の残存密度を再現可能であり、LHCおよびLEPの制約を満たすか？
• RQ2 IceCubeニュートリノ望遠鏡は、太陽からのニュートリノを介したヒッグスノ・シンギュラノ暗黒物質の間接検出に対してどの程度感度を持つか？
• RQ3 PINGU低エネルギー拡張は、10 GeVの範囲における軽い暗黒物質をどの程度探査可能か？
• RQ4 IceCube/DeepCoreおよびPINGUが、XENON1Tのようなトンスケール直接検出実験と比較して、どのパラメータ空間領域で補完的カバレッジを提供するか？

主な発見

• NMSSMにおけるシンギュラノ主導の中性子は、LHCの制約によりMSSMの中性子が一般に失敗する質量領域—10 GeV未塔、60–100 GeV、500–1000 GeV—で、正しい熱的残存密度を達成可能である。
• シンギュラノ主導の暗黒物質を持つモデルの一部は、1年間のIceCubeデータですでに除外されている。これは、このクラスのモデルに対する現在の感度を示している。
• DeepCoreは、XENON1Tがカバーできないパラメータ空間の点、特に100 GeVの質量範囲を、複数年のデータ取得に伴い感度を高めて探査可能である。
• PINGUは、10 GeVの暗黒物質に感度を示すと予想されるが、一部の点では2σの有意性に到達するまでに数年間の稼働時間が必要となる可能性がある。
• DeepCoreとPINGUの組み合わせは、XENON1Tと補完的カバレッジを提供し、直接検出実験が到達できない低質量暗黒物質のモデル点をカバーする。
• ヒッグスノ・シンギュラノ暗黒物質の検出において、最も高い有意性は、低質量領域ではPINGUが、高質量領域ではDeepCoreが達成する。これは、低エネルギーニュートリノ検出の重要性を強調している。