[論文レビュー] Sneutrino Dark Matter in the BLSSM

Luigi Delle Rose, Shaaban Khalil+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、B-L超対称標準模型（BLSSM）におけるスネトリンをスピン0のダークマター（DM）候補として調査し、その対消滅がW⁺W⁻対に起因する高エネルギーのガンマ線スペクトルを生成し、FermiLATによって検出可能であることを示している。研究では、直接検出は不確実であるものの、LHCはRun 2およびRun 3のデータにおいてマルチレプトンの証拠を用いてスネトリンDMを探査可能であり、間接検出はフェルミオン的DM候補と区別する有望な道筋を提供する。

ABSTRACT

In the framework of the $(B-L)$ Supersymmetric Standard Model (BLSSM), we assess the ability of ground and space based experiments to establish the nature of its prevalent Dark Matter (DM) candidate, the sneutrino, which could either be CP-even or -odd. Firstly, by benchmarking this theory construct against the results obtained by the Planck spacecraft, we extract the portions of the BLSSM parameter space compliant with relic density data. Secondly, we show that, based on current sensitivities of the Fermi Large Area Telescope (FermiLAT) and their future projections, the study of high-energy $γ$-ray spectra will eventually enable us to extract evidence of this DM candidate through its annihilations into $W^+W^-$ pairs (in turn emitting photons), in the form of both an integrated flux and a differential energy spectrum which cannot be reconciled with the assumption of DM being fermionic (like, e.g., a neutralino), although it should not be possible to distinguish between the scalar and pseudoscalar hypotheses. Thirdly, we show that, while underground direct detection experiments will have little scope in testing sneutrino DM, the Large Hadron Collider (LHC) may be able to do so in a variety of multi-lepton signatures, with and without accompanying jets (plus missing transverse energy), following data collection during Run 2 and 3.

研究の動機と目的

• プランクの残り質量密度制約を踏まえて、スネトリンがB-L超対称標準模型（BLSSM）におけるダークマター候補として妥当であるかを評価すること。
• 特にFermiLATを用いた間接検出実験の可能性を評価し、ガンマ線スペクトルの違いを通じてスネトリンDMをフェルミオン的DM候補（例：ニュートラリノ）と区別できるかを検討すること。
• Run 2およびRun 3のデータにおけるマルチレプトンおよびジェット＋欠落横断運動量の証拠を通じて、LHCによるスネトリンDMの探査可能性を調査すること。
• 統合フラックスが類似しているにもかかわらず、微分ガンマ線スペクトルを通じてスネトリンDMのCP偶性またはCP奇性を区別できるかを検討すること。
• BLSSMにおけるスネトリンDMの現象論とMSSMを対比し、独自の間接的および直接的検出の可能性を強調すること。

提案手法

• プランク2015年の残り質量密度測定値と照らし合わせてBLSSMのパラメータ空間をベンチマーク化し、スネトリンLSPが観測されたダークマター密度に一致する領域を同定すること。
• 主なスネトリン対消滅過程（W⁺W⁻対生成）をシミュレートし、その結果として生じる高エネルギーのガンマ線スペクトル（統合フラックスおよびエネルギー分布の微分形）を計算すること。
• スネトリンDMが予測する微分ガンマ線スペクトルとフェルミオン的ニュートラリノDMが予測するスペクトルを比較し、エネルギー依存性に特徴的な差異が生じるかを同定すること。
• FermiLATが予測されたガンマ線信号をどの程度感度で検出できるかを評価し、15年間のデータ収集期間における将来的な検出可能性を予測すること。
• LHCにおけるスネトリンDM生成の証拠を分析し、特に重いニュートリノおよびチルジンォ/ニュートラリノを含む崩壊チェーンを介したマルチレプトン最終状態（ジェットを伴う・伴わない）および欠落横断運動量を焦点にすること。
• Z′や重いヒッグス粒子といった中間子の核子への弱い結合性が原因で、直接検出実験の感度が著しく制限され、このチャネルでは顕著な感度が得られないことの評価を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BLSSMにおけるスネトリンは、プランクが観測した残り質量密度を満たす有効なダークマター候補とみなせるか？
• RQ2 FermiLATは微分ガンマ線スペクトルの形状によって、(準)スカラーのスネトリンDMをフェルミオン的ニュートラリノDMと区別できるか？
• RQ3 Run 2およびRun 3のデータにおいて、マルチレプトンおよびジェット＋欠落横断運動量最終状態を通じて、スネトリンDMの検出可能性はどの程度か？
• RQ4 ガンマ線データを用いて、スネトリンDMのCP偶性またはCP奇性をどの程度区別できるか？
• RQ5 なぜBLSSMにおけるW⁺W⁻対消滅チャネルはMSSMよりもFermiLATで検出されやすいのか？この事実はダークマターの現象論にどのような意味を持つのか？

主な発見

• MSSMにおけるニュートラリノと比較して、BLSSMにおけるスネトリンLSPは、プランクが観測したダークマターの残り質量密度を満たすパラメータ空間のより広い範囲で実現可能である。
• W⁺W⁻対への主なスネトリン対消滅チャネルは、フェルミオン的DM候補（例：ニュートラリノ）では再現できない特徴的な微分ガンマ線スペクトルを生成する。
• FermiLATは現在、予測されたスネトリンDM信号の感度にわずかに届かないが、約15年間のデータ収集により、将来的に信号を検出可能になる。
• CP奇性スネトリンDMの統合ガンマ線フラックスはCP偶性状態よりも顕著に大きいが、微分スペクトルはFermiLAT単体では両者を区別できないほど類似している。
• LHCは、重いニュートリノおよびチルジンォを含む崩壊チェーンのおかげで、マルチレプトン最終状態（ジェットを伴う・伴わない）を通じて、スネトリンDMを強く探査可能である。
• Z′や重いヒッグス粒子といった中間子の核子への弱い結合性のため、直接検出実験はスネトリンDMを探査する可能性が著しく低いとされ、このチャネルでは顕著な感度が得られない。