[논문 리뷰] Explaining the Fermi Galactic Centre Excess in the CMSSM

Andrew J. Williams|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 92인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 기존 LUX, IceCube 및 LHC 제한 조건과의 긴장에도 불구하고, 제약된 최소 초대칭 표준모형(CMSSM) 내에서 페르미 은하중심 과잉(GCE)을 설명할 수 있음을 보여준다. 이는 200–280 GeV의 중성미온, 1.3–1.7 TeV의 글루아노, 그리고 무거운 스퀘어크를 특징으로 하는 CMSSM 매개변수 공간의 좁고 잘 예측 가능한 영역을 규명하며, 향후 네 가지 다른 채널에서 관측 가능한 신호를 예측한다.

ABSTRACT

We present an analysis of the compatibility between the Galactic Centre Excess (GCE) and the Constrained MSSM (CMSSM). We perform a global fit to the relevant experimental data including the GCE taking into account the systematic uncertainties. We find that the CMSSM is able to account for the GCE and maintain agreement with the other experimental searches, providing the first example that the GCE can be explained in the framework of universal supersymmetry. We map out the region compatible at 2 sigma and comment on its phenomenology. We find that for the CMSSM to explain the GCE the solution must lie close to the existing limits from LUX, IceCube and the LHC. We show that this provides definite predictions for Run 2 of the LHC, Xenon-1T and future observation with IceCube. Thus there exists the exciting possibility that the CMSSM could be observed in four distinct experimental channels over the next few years, which would be a striking signature for universal supersymmetry.

연구 동기 및 목표

• 초기 제약을 받는 초대칭 프레임워크인 CMSSM가 어두운 물질 결합에 의한 은하중심 과잉(GCE)을 설명할 수 있는지 테스트한다.
• 배경 모델의 체계적 불확실성 하에서, LUX, IceCube 및 LHC 데이터를 포함한 기존 실험 제약 조건과 GCE의 호환성을 평가한다.
• GCE와 기타 관측 데이터를 동시에 적합시키는 CMSSM 매개변수 공간의 타당 영역을 규명한다.
• 향후 실험, 예를 들어 LHC 런 2, Xenon-1T 및 IceCube에서의 명확한 검증 가능한 예측을 유도한다.

제안 방법

• 모든 관련 실험 데이터, GCE 포함, 체계적 불확실성을 가능성 함수에 반영하여 전체 신뢰도 분석을 수행한다.
• GCE가 $χ^2$에 기여하는 방식은 과잉에 대해 정규 분포 가능성을 사용하고, 배경 불확실성은 자유 매개변수로 간주한다.
• Higgs 보손 질량과 결합 상수는 FeynHiggs와 HIGGSSIGNALS를 사용해 계산하며, LHC 및 HiggsBounds 제약 조건을 적용한다.
• LUX의 직접 탐지 제한은 $m_\chi$–$\sigma_{\text{SI}}$ 평면에서 가능성 지도를 통해 구현되며, LHC 및 IceCube 제약 조건은 상한 값으로 포함된다.
• 프로파일 가능성 스캔을 통해 스퍼파트클 질량과 그 불확실성의 최적 값이 결정된다.
• 모델 타당성에 대한 영향을 평가하기 위해, GCE 항목을 포함하거나 제외한 총 $\chi^2$를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMSSM는 모든 현재 실험 제약 조건과 호환되면서도 페르미 은하중심 과잉을 설명할 수 있는가?
• RQ2 GCE가 CMSSM 내 중성미온 결합에 기인한다면, 스퍼파트클 질량과 단면적에 대한 구체적인 예측은 무엇인가?
• RQ3 배경 모델의 체계적 불확실성이 CMSSM이 GCE 설명으로서의 타당성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 LHC 런 2, Xenon-1T 및 IceCube와 같은 향후 실험에서 GCE 신호를 탐지할 가능성은 어떠한가?
• RQ5 LUX, IceCube 또는 LHC의 기존 제약 조건을 위반하지 않으면서도 GCE를 설명할 수 있는 CMSSM 매개변수 공간의 영역이 존재하는가?

주요 결과

• CMSSM는 다른 실험 제약 조건과 호환되면서도 2σ 수준에서 GCE를 설명할 수 있으며, 이는 보편적인 초대칭 프레임워크에서 처음으로 이루어진 사례이다.
• GCE에 유리한 영역은 중성미온 질량이 200–280 GeV, 가장 가벼운 카이니온 질량이 250–350 GeV, 글루아노 질량이 1.3–1.7 TeV인 포커스 포인트 영역에 위치한다.
• 스핀 독립 산란 단면적은 향후 LUX 업데이트 및 Xenon-1T에서 관측 가능한 신호를 낼 정도로 충분히 크며, 수백 개의 사건이 기대된다.
• 스핀 의존 산란 단면적은 몇 년간의 운영 후 IceCube에서 접근 가능해져 보완적인 탐지 채널을 제공한다.
• 스쿼크 질량은 4.5 TeV를 초과하여 LHC 런 2에서는 접근 불가능하지만, 글루아노와 전기약이온은 LHC 탐지 가능 범위 내에 있다.
• 이 시나리오는 놀라운 다중 채널 탐지 가능성을 예측한다: 향후 몇 년 내에 직접 탐지, 중성미온 천체망원경, 그리고 LHC에서의 신호가 동시에 관측될 수 있다.