[論文レビュー] Sneutrino dark matter in light of PAMELA

Rouzbeh Allahverdi|ArXiv.org|Sep 30, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、U(1)_{B-L}拡張されたMSSMにおける右巻き sneutrino を、タウやミューへの強化された対消滅によってPAMELAの正電子過剰を説明する熱的ダークマター候補として提案する。1–2 TeVのsneutrino質量と、軽いヒッグスに類似したスカラーによる Sommerfeld強化を伴う対消滅により、モデルはPAMELAデータに適合し、Fermi-LATの結果とも整合性を保ちつつ、近い将来の実験で検出可能な直接検出断面積を予測する。

ABSTRACT

In the U(1)_{B-L} extension of the minimal supersymmetric standard model the right-handed sneutrino is a natural candidate for thermal dark matter. Sneutrino annihilation at the present time can be considerably enhanced due to the exchange of the lightest field in the Higgs sector that breaks U(1)_{B-L}. The annihilation mainly produces taus (or muons) by the virtue of B-L charge assignments. A sneutrino mass of 1-2 TeV provides a good fit to the PAMELA and is compatible with the latest results from the FERMI experiment. In addition, the sneutrino-nucleon elastic scattering cross section is within the reach of the upcoming and future direct detection experiments.

研究の動機と目的

• 大きな天体物理学的ブースト因子を必要とせずに、PAMELAの正電子過剰を説明すること。
• 自然にレプトンへの対消滅を強化する、超対称モデルにおける実現可能な熱的ダークマター候補を特定すること。
• 反陽子フラックスとFermi-LATによる高エネルギー電子-正電子スペクトル観測との整合性を保証すること。
• 近い将来の実験で検出可能な範囲の直接検出断面積を予測すること。
• 最軽いヒッグスに類似したスカラーが、Sommerfeld強化を介してsneutrino対消滅を媒介する役割を果たすかを調査すること。

提案手法

• U(1)_{B-L}対称性を導入したMSSMの拡張により、ダークマター候補として右巻きsneutrinoを導入する。
• 2つの新しいヒッグス場と、sneutrino対消滅をD項相互作用によって媒介する軽いスカラー粒子φを導入する。
• 軽いスカラーφの交換に起因するSommerfeld強化機構を用い、低速度域での対消滅断面積を増幅する引力的ポテンシャルを導入する。
• B-L電荷の割り当てを用いて、レプトン最終状態（τ⁺τ⁻、μ⁺μ⁻）を好むように、対消滅断面積と最終状態分岐比を計算する。
• DarkSUSY-5.0.2を用いた数値シミュレーションにより、NFWダークマターハローとMED伝搬パラメータを用い、正電子および反陽子フラックスを予測する。
• 直接検出感度の観点から、tチャネルZ′交換を介したsneutrino-核子スキャッタリング断面積を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 U(1)_{B-L}拡張MSSMにおける右巻きsneutrinoは、大きな天体物理学的ブースト因子を必要とせずに、PAMELAの正電子過剰を説明できるか？
• RQ2 PAMELAの正電子データに適合させつつ、反陽子フラックスの過剰を回避するには、必要なsneutrino質量と対消滅最終状態は何か？
• RQ3 軽いスカラーφによるSommerfeld強化は、sneutrino対消滅断面積にどのように影響を与え、Fermi-LAT観測と整合性を保つか？
• RQ4 sneutrino-核子散乱の直接検出断面積は予測されるか？また、近い将来の実験で検出可能範囲にあるか？
• RQ5 モデルは観測されたダークマターの残存密度と、Z′およびヒッグス質量に関する実験的制約と両立可能か？

主な発見

• 1.5 TeVのsneutrino質量とτ⁺τ⁻最終状態の組み合わせは、10 GeV以上のエネルギーで赤色カイ二乗値が2.9となる良好な適合を得る。
• 同じ質量に対してμ⁺μ⁻最終状態はやや悪い適合（χ² = 5.5）を示すが、10³の増幅因子を伴えば依然として妥当である。
• Fermi-LATによるe⁺+e⁻スペクトル観測と整合性を保ち、高エネルギー域に顕著な過剰は認められない。
• φの質量が約15 GeVまで上昇しても、反陽子フラックスは観測限界内に保たれる。
• sneutrino-核子スピン不変断面積は10⁻¹¹–10⁻⁹ pbの範囲に位置し、近い将来の直接検出実験の感度範囲内にある。
• 主にレプトン最終状態が支配的であるため、IceCubeニュートリノ望遠鏡でダークマター対消滅からの検出可能なニュートリノ信号が予測される。