[論文レビュー] Unstable Gravitino Dark Matter - Prospects for Indirect and Direct Detection

Michael Grefe|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 329被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、双線形R粒子数不変性を伴う超対称モデルにおける不安定なグラビトニ暗黒物質を検討し、3体崩壊断面積を計算し、宇宙線スペクトルを予測している。PAMELA/フェルミの陽電子異常を説明できる可能性は示されるが、ガンマ線および反陽子データからの強い制約により、この可能性は排除され、グラビトニの寿命およびR粒子数不変性スケールに対してきびしい制限が得られる。

ABSTRACT

We confront the signals expected from unstable gravitino dark matter with observations of indirect dark matter detection experiments in all possible cosmic-ray channels. For this purpose we calculate in detail the gravitino decay widths in theories with bilinear violation of R parity, particularly focusing on decay channels with three particles in the final state. Based on these calculations we predict the fluxes of gamma rays, charged cosmic rays and neutrinos expected from decays of gravitino dark matter. Although the predicted spectra could in principal explain the anomalies observed in the cosmic-ray positron and electron fluxes as measured by PAMELA and Fermi LAT, we find that this possibility is ruled out by strong constraints from gamma-ray and antiproton observations. Therefore, we employ current data of indirect detection experiments to place strong constraints on the gravitino lifetime and the strength of R-parity violation. In addition, we discuss the prospects of forthcoming searches for a gravitino signal in the spectrum of cosmic-ray antideuterons, finding that they are in particular sensitive to rather low gravitino masses. Finally, we discuss in detail the prospects for detecting a neutrino signal from gravitino dark matter decays, finding that the sensitivity of neutrino telescopes like IceCube is competitive to observations in other cosmic ray channels, especially for rather heavy gravitinos. Moreover, we discuss the prospects for a direct detection of gravitino dark matter via R-parity violating inelastic scatterings off nucleons. We find that, although the scattering cross section is considerably enhanced compared to the case of elastic gravitino scattering, the expected signal is many orders of magnitude too small in order to hope for a detection in underground detectors.

研究の動機と目的

• PAMELAおよびFermi LATが観測した宇宙線陽電子過剰を、不安定なグラビトニ暗黒物質の崩壊によって説明できるかを評価すること。
• 特にR粒子数不変性破れモデルにおける3体最終状態に注目し、詳細なグラビトニ崩壊断面積を計算すること。
• ガンマ線、反陽子、反重水素核、ニュートリノの間接検出データを用いて、グラビトニの寿命およびR粒子数不変性スケールに対する制約を導出すること。
• 核子上での非弾性散乱によるグラビトニ暗黒物質の直接検出の可能性を評価すること。
• IceCubeのようなニュートリノ望遠鏡が、グラビトニ崩壊からのニュートリノ信号をどの程度感度よく検出できるかを検討すること。

提案手法

• ベクトルボソン、ヒッグスおよびフェルミオンを含む3体崩壊の有効場理論およびフェルミオンのファインマン則を用いて、R粒子数不変性破れモデルにおけるグラビトニ崩壊断面積を計算する。
• 相対論的運動論および位相空間積分を用いて、グラビトニ崩壊からの最終状態粒子（ガンマ線、荷電宇宙線、ニュートリノ、反重水素核）のスペクトルを計算する。
• Fermi-LAT（ガンマ線）、PAMELA/AMS-02（陽電子、反陽子）、IceCube（ニュートリノ）の観測制約を適用し、グラビトニ寿命の上限を導出する。
• ヒッグス、Zボソン、光子交換を介した有効相互作用および行列要素計算を用いて、非弾性グラビトニ-核子散乱断面積を評価する。
• 核子静止系における微分断面積および全散乱率の運動論的およびローレンツ不変な式を用いる。
• 反重水素核およびニュートリノを含む、複数の宇宙線チャンネルにおける検出感度を比較分析し、最適な探索戦略を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PAMELAおよびFermi LATが測定した宇宙線陽電子過剰は、不安定なグラビトニ暗黒物質の崩壊によって説明可能か？
• RQ2 ガンマ線および反陽子観測から導かれるグラビトニ寿命およびR粒子数不変性スケールに対する制約は何か？
• RQ3 低質量グラビトニ暗黒物質（m_{3/2} < 100 GeV）に対して、反重水素核探索はどの程度感度が良いか？
• RQ4 IceCubeのようなニュートリノ望遠鏡は、グラビトニ崩壊からのニュートリノ信号をどの程度検出可能か？
• RQ5 グラビトニが核子と非弾性散乱することで、地下直接検出実験で検出可能な信号が得られるか？

主な発見

• ガンマ線および反陽子データからの強い制約により、宇宙線陽電子過剰は不安定なグラビトニ暗黒物質の崩壊では説明できない。
• 本研究では、R粒子数不変性破れの大多数のシナリオにおいて、グラビトニ寿命が10^26秒より長いことは排除されるきびしい上限を導出している。
• 反重水素核探索は、低質量グラビトニ（m_{3/2} < 100 GeV）に対して特に感度が高く、この質量領域では有望な検出チャンネルを提供する。
• ニュートリノ望遠鏡（IceCube）は、重いグラビトニ（m_{3/2} > 1 TeV）に対して、他の宇宙線チャンネルと同等の検出感度を示す。
• 非弾性グラビトニ-核子散乱断面積は弾性散乱に比べて増大するが、予想される信号は地下直接検出実験で検出可能であるほど大きくない（数個のオーダー以上に小さい）。
• 本分析は、複数の宇宙線チャンネルを通じたR粒子数不変性破れグラビトニ暗黒物質の制約フレームワークを包括的に提供し、今後の実験に影響を与えるものである。