[논문 리뷰] Interpreting the galactic center gamma-ray excess in the NMSSM

Junjie Cao, Liangliang Shang외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 82인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다크 매터(DM)가 싱เก트론 중심 히iggs와 중성이온 입자를 포함하는 다수의 최종 상태로 붕괴하는 Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model(NMSSM)에서 은하 중심 감마선 초과(GCE)를 조사한다. GCE는 $\chi_1^0\chi_1^0 \to A_1H_i$ 붕괴 채널에 의해 가장 잘 설명되며, $p$-값은 0.55를 기록한다. XENON-1T는 거의 모든 타당한 해를 검증할 것으로 기대된다.

ABSTRACT

In the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), all singlet-dominated particles including one neutralino, one CP-odd Higgs boson and one CP-even Higgs boson can be simultaneously lighter than about 100 GeV. Consequently, dark matter (DM) in the NMSSM can annihilate into multiple final states to explain the galactic center gamma-ray excess (GCE). In this work we take into account the foreground and background uncertainties for the GCE and investigate these explanations. We carry out a sophisticated scan over the NMSSM parameter space by considering various experimental constraints such as the Higgs data, $B$-physics observables, DM relic desnity, LUX experiment and the dSphs constraints. Then for each surviving parameter point we perform a fit to the GCE spectrum by using the correlation matrix that incorporates both the statistical and systematic uncertainties of the measured excess. After examining the properties of the obtained GCE solutions, we conclude that the GCE can be well explained by the pure annihilations $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o b \bar{b} $ and $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o A_1 H_i $ with $A_1$ being the lighter singlet-dominated CP-odd Higgs boson and $H_i$ denoting the singlet-dominated CP-even Higgs boson or SM-like Higgs boson, and it can also be explained by the mixed annihilation $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o W^+ W^-, A_1 H_1$. Among these annihilation channels, $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o A_1 H_i $ can provide the best interpretation with the corresponding $p$-value reaching 0.55. We also discuss to what extent the future DM direct detection experiments can explore the GCE solutions and conclude that the XENON-1T experiment is very promising in testing nearly all the solutions.

연구 동기 및 목표

• 은하 중심 감마선 초과(GCE)를 Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model(NMSSM)에서 다크 매터(DM) 붕괴에 기인하는 것으로 해석하기 위해.
• 통계적 및 체계적 오차를 포함한 상관 행렬을 활용하여 GCE 스펙트럼의 전경 및 배경 불확실성을 설명하기 위해.
• 히ッグ스 데이터, $B$-물리 관측치, 다크 매터 잔류 밀도, LUX 및 소형 타원은피어드라마(스피어로이드) 제약 조건을 포함한 다수의 실험 제약 조건 하에서 NMSSM 매개변수 공간에 대한 종합적 스캔을 수행하기 위해.
• 관측된 형태와 에너지 스펙트럼을 동시에 재현할 수 있는 타당한 DM 붕괴 채널을 식별하기 위해.

제안 방법

• 히iggs 신호 강도, $B$-물리 관측치, 다크 매터 잔류 밀도, LUX 직접 탐지 및 소형 타원은피어드라마(dSph) 한계를 포함한 제약 조건을 적용하여 NMSSM 매개변수 공간에 대한 글로벌 스캔을 수행한다.
• 통계적 및 체계적 오차를 Fermi-LAT 데이터에서 포함한 상관 행렬을 사용하여 GCE 스펙트럼을 피팅한다.
• 중성이온($\tilde{\chi}_1^0$), CP-홀드 히iggs($A_1$), 그리고 CP-짝성 히iggs($H_i$)를 포함한 싱เก트론 중심 입자를 포함하는 DM 붕괴 채널을 식별하고 분석한다.
• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to b\bar{b}$, $W^+W^-$, $A_1H_i$, 및 혼합 모드의 붕괴 단면적과 감마선 스펙트럼을 계산한다.
• 각 붕괴 채널의 통계적 유의성 평가를 위해 $p$-값을 사용하여 적합도의 우수성을 평가한다.
• 특히 XENON-1T와 같은 향후 직접 탐지 실험의 GCE 유리한 매개변수 점을 탐색할 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 현재 실험 제약 조건을 고려할 때, 은하 중심 감마선 초과는 NMSSM에서 다크 매터 붕괴에 의해 일관적으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 특정 DM 붕괴 채널인 $b\bar{b}$, $W^+W^-$, $A_1H_i$, 또는 혼합 모드 중에서 관측된 GCE 스펙트럼과 형태를 가장 잘 재현하는 것은 무엇인가?
• RQ3 전경 및 배경 불확실성은 NMSSM 프레임워크 내에서 GCE의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NMSSM에서 최적의 피팅 붕괴 채널의 통계적 유의성($p$-값으로 측정)은 얼마인가?
• RQ5 향후 직접 탐지 실험, 특히 XENON-1T는 NMSSM에서 타당한 GCE 해를 얼마나 잘 검증할 수 있는가?

주요 결과

• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to A_1H_i$ 붕괴 채널이 GCE를 가장 잘 설명하며, $p$-값 0.55를 기록하여 통계적으로 수용 가능한 피팅을 보여준다.
• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to b\bar{b}$ 채널 역시 GCE 스펙트럼과 형태와 일치하는 타당한 설명을 제공한다.
• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to W^+W^-, A_1H_1$와 같은 혼합 붕괴 모드도 데이터와 일치하며 타당한 설명을 제공한다.
• $A_1H_i$ 채널이 선호되는 이유는 고에너지 尾부 스펙트럼을 잘 재현하면서도 실험 제약 조건 내에 머무르기 때문이다.
• XENON-1T는 NMSSM에서 대부분의 타당한 GCE 유리한 매개변수 점을 감지할 것으로 예상되며, 이는 이 시나리오를 강력하게 탐색할 수 있음을 의미한다.
• 분석 결과, NMSSM에서 싱게트론 중심 히iggs와 중성이온 입자가 모두 100 GeV 이하일 수 있으며, 이는 여러 붕괴 채널이 GCE에 기여할 수 있음을 동시에 확인한다.