[논문 리뷰] Implications of the Fermi-LAT Pass 8 Galactic Center Excess on Supersymmetric Dark Matter

A. Achterberg, Melissa van Beekveld외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 29.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페르미-LAT 패스 8 은하중심 과잉(GCE)이 초대칭 암흑물질과의 호환성을 재평가하며, 중성보가 W 보손이나 탑 쿼크로의 붕괴를 통해 발생하는 경우를 중심으로 다룬다. 중성보 질량이 85–220 GeV 사이일 경우, 직접 탐측, LHC, 그리고 구형은하형은 탐측 제약 조건과도 일치하면서 GCE를 설명할 수 있으며, 일부 모델은 낮은 전기약력 미세조정을 보인다.

ABSTRACT

The Fermi Collaboration has recently updated their analysis of gamma rays from the center of the Galaxy. They reconfirm the presence of an unexplained emission feature which is most prominent in the region of $1-10$ GeV, known as the Galactic Center GeV excess (GCE). Although the GCE is now firmly detected, an interpretation of this emission as a signal of self-annihilating dark matter (DM) particles is not unambiguously possible due to systematic effects in the gamma-ray modeling estimated in the Galactic Plane. In this paper we build a covariance matrix, collecting different systematic uncertainties investigated in the Fermi Collaboration's paper that affect the GCE spectrum. We show that models where part of the GCE is due to annihilating DM can still be consistent with the new data. We also re-evaluate the parameter space regions of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM) that can contribute dominantly to the GCE via neutralino DM annihilation. All recent constraints from DM direct detection experiments such as PICO, LUX, PandaX and Xenon1T, limits on the annihilation cross section from dwarf spheroidal galaxies and Large Hadron Collider limits are considered in this analysis. Due to a slight shift in the energy spectrum of the GC excess with respect to the previous Fermi analysis, and the recent limits from direct detection experiments, we find a slightly shifted parameter region of the MSSM compared to our previous analysis that is consistent with the GCE. Neutralinos with a mass between $85-220$ GeV can describe the excess via annihilation into a pair of $W$-bosons or top quarks. Remarkably, there are low fine-tuning models among the regions that we have found. The complete set of solutions will be probed by upcoming direct detection experiments and with dedicated searches in the upcoming data of the Large Hadron Collider.

연구 동기 및 목표

• 페르미-LAT 패스 8 은하중심 과잉(GCE)이 자가붕괴하는 초대칭 암흑물질 입자에 의해 설명될 수 있는지 평가하기.
• 최근의 패스 8 데이터와 실험 제약 조건을 반영하여 GCE와 일치하는 최소 초대칭 표준모형(MSSM)의 매개변수 공간을 업데이트하기.
• 감마선 스펙트럼의 체계적 불확실성 고려 시, 중성보가 W 보손이나 탑 쿼크로 붕괴하는 것이 GCE의 기원이 될 수 있는지 평가하기.
• 타당한 MSSM 모델이 낮은 전기약력 미세조정을 보이는지 확인하여 자연성의 정도를 평가하기.
• 향후 직접 탐측 실험과 LHC 탐색이 이 연구에서 규명한 MSSM 매개변수 공간의 영역을 어떻게 탐색할 수 있는지 규명하기.

제안 방법

• 페르미-LAT 패스 8 분석에서 GCE 스펙트럼의 체계적 불확실성을 반영하기 위해 공분산 행렬을 구성하였으며, 특히 스펙트럼 형상과 형태에 영향을 미친다.
• 분석은 GCE 플럭스의 일부(1–10 GeV)가 중성보 암흑물질 붕괴에 기인한다고 가정하며, 고에너지 尾(>10 GeV)에 자유로운 거듭제곱 법칙을 적합한다.
• 직접 탐측 실험(PICO, LUX, PandaX, Xenon1T), LHC 제약 조건, 그리고 구형은하형의 붕괴 제약 조건을 포함한 현상학적 MSSM(pMSSM) 매개변수 공간을 스캔한다.
• 전기약력의 미세조정은 참조문헌 [41, 92, 93]에서 제시된 방법을 사용하여 계산하였으며, 특히 가장 가벼운 중성보의 히긴스ино 성분이 조정의 주요 원인임을 중점적으로 고려한다.
• 해결책은 두 주요 영역으로 분류된다: W⁺W⁻ 붕괴(80–120 GeV)와 t̄t 붕괴(175–220 GeV)이며, 각각 스탑 및 힉스 보손 질량에 대한 별개의 의존성 존재.
• 압축된 스탑, 무거운 힉스 보손, 채지노-중성보 캐스케이드를 위한 LHC 탐색 결과와 모델의 호환성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최근 데이터와 제약 조건을 반영할 때, 페르미-LAT 패스 8 은하중심 과잉은 MSSM 내 중성보 암흑물질 붕괴에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 GCE를 설명하면서도 직접 탐측과 LHC 제약 조건을 만족하는 중성보 질량 범위와 붕괴 채널은 무엇인가?
• RQ3 GCE를 설명하면서 동시에 낮은 전기약력 미세조정을 보이는 MSSM 모델이 존재하는가? 이는 자연성의 지표로 간주된다.
• RQ4 최근의 패스 8 데이터와 체계적 불확실성은 이전에 규명된 GCE 매개변수 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 직접 탐측 또는 LHC 중 어떤 향후 실험들이 이 연구에서 규명한 타당한 MSSM 영역을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 85–220 GeV 사이의 중성보는 GCE를 W⁺W⁻ 또는 t̄t 최종 상태로의 붕괴를 통해 설명할 수 있으며, 패스 8 데이터와 체계적 불확실성과도 일치한다.
• W⁺W⁻ 붕괴 채널은 80–120 GeV의 중성보에서 타당하며, 주로 바이노 성분이 지배하고 소량의 윈오 또는 힉스ино 혼합을 포함하며, 낮은 전기약력 미세조정(<20)을 보인다.
• t̄t 붕괴 채널은 175–220 GeV의 중성보에서 타당하며, 두 개의 하위영역으로 나뉜다: 압축된 스탑-중성보 스펙트럼(스탑 질량이 중성보 질량 근처)과 힉스ино 성분이 강화되고 무거운 힉스 보손이 존재하는 영역(500–1000 GeV).
• 높은 힉스ино 성분을 가진 t̄t 영역의 모델은 낮은 미세조정을 보이며, 작은 힉스ино 성분과 가벼운 스탑을 가진 모델은 더 높은 조정을 보인다.
• 완전한 W⁺W⁻ 영역과 힉스ино 강화 t̄t 영역는 향후 직접 탐측 실험에 의해 탐색될 것이며, LHC는 스탑 및 무거운 힉스 보존 영역을 테스트할 수 있다.
• 이 분석은 최근의 직접 탐측 및 LHC 탐색 제약 조건에도 불구하고, GCE가 암흑물질 해석과 일치함을 확인하였으며, 특히 자연스러운 MSSM 모델에서 더욱 그렇다.