[논문 리뷰] MeV-GeV $\gamma$-ray telescopes probing gravitino LSP with coexisting axino NLSP as dark matter in the $\mu u$SSM

G. A. Gomez-Vargas, Daniel E. López-Fogliani외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 15.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 84인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중성미자 질량을 설명하고 µ-problem를 해결하는 µνSSM에서 중성미자 질량을 설명하는 우주론적 및 γ선 신호를 다루는 다성분 어두운 물질 시나리오를 조사한다. 여기서 중력보가 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)이고, 아키노가 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)이며, 둘 다 어두운 물질에 기여한다. 아키노는 광자와 중성미자로 붕괴되어 검출 가능한 단색 γ선 선을 생성하며, 중력보는 아키온과 아키노로 붕괴된다. 향후 MeV-GeV γ선 천체망원경, 예를 들어 e-ASTROGAM은 매개변수 공간의 상당한 영역을 탐색할 수 있으며, 특수한 경우에 이중선 신호가 가능하다.

ABSTRACT

In $R$-parity violating supersymmetry, the gravitino as the lightest supersymmetric particle (LSP) is a good candidate for dark matter, with the interesting characteristic to be detectable through $\gamma$-ray telescopes. We extend this analysis considering an axino next-to-LSP (NLSP) as a coexisting dark matter particle contributing with a detectable signal in the $\gamma$-ray spectrum. The analysis is carried out in the framework of the $\mu u$SSM, which solves the $\mu$ problem reproducing simultaneously neutrino data only with the addition of right-handed neutrinos. We find that important regions of the parameter space can be tested by future MeV-GeV $\gamma$-ray telescopes through the line signal coming from the decay of the axino NLSP into photon-neutrino. In a special region, a double-line signal from axino NLSP and gravitino LSP is possible with both contributions detectable.

연구 동기 및 목표

• µνSSM에서 중력보 LSP와 아키노 NLSP를 가진 다성분 어두운 물질 시나리오의 천체론적 및 γ선 신호를 탐색하는 것.
• 아키노 NLSP가 광자-중성미자로 붕괴할 때 발생하는 단색 γ선 선이 MeV-GeV 천체망원경에서 검출 가능한지 평가하는 것.
• 동시에 중력보 LSP와 아키노 NLSP의 붕괴로 인해 발생할 수 있는 이중선 신호의 잠재력을 평가하는 것.
• 어두운 복사와 잔류 밀도를 포함한 천체론적 관측 결과를 이용해 모델을 제약하고, 향후 γ선 임무의 감도를 예측하는 것.
• 특히 e-ASTROGAM을 포함한 현재 및 향후 γ선 천체망원경의 감도를 예측된 선 신호에 대해 비교하는 것.

제안 방법

• 연구는 µ-problem를 해결하고 오른쪽 회전 중성미자를 통한 중성미자 질량을 설명하는 µνSSM 프레임워크를 사용한다.
• R-대칭 위반 상호작용를 통해 아키노 NLSP의 광자-중성미자 붕괴 너비를 계산하여, Eγ = m˜a/2에서 단색 γ선 선이 발생함을 도출한다.
• R-대칭 보존 상호작용 하에 중력보 LSP의 아키온-아키노 붕괴 너비를 계산하여 총 어두운 물질 잔류 밀도에 기여한다.
• 은하핵 주변의 헬로 밀도 프로파일(NFW, 무어, 아이나스토 등)을 적용하여, 붕괴와 진동의 D-요소(Decay) 및 J-요소(Annihilation) 형식을 사용해 γ선 플럭스를 유도한다.
• e-ASTROGAM의 예상 성능을 기반으로 감도 예측을 수행하였으며, 은하핵 주변 10°×10°의 ROI(관측 영역)와 1년 간의 관측 시간을 가정하였다.
• Fermi-LAT 데이터와 어두운 복사 및 잔류 밀도를 포함한 천체론적 제약 조건을 통해 타당한 매개변수 영역을 정의하기 위해 제약 조건을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아키노 NLSP가 광자와 중성미자로 붕괴할 때 MeV-GeV 천체망원경에서 검출 가능한 단색 γ선 선을 생성할 수 있는가?
• RQ2 R-대칭 위반을 고려한 µνSSM에서 아키노 NLSP가 총 어두운 물질 잔류 밀도의 몇 퍼센트 기여할 수 있는가?
• RQ3 중력보 LSP와 아키노 NLSP가 동시에 해석 가능한 γ선 선 신호를 생성할 수 있는 매개변수 공간의 영역은 어디인가?
• RQ4 향후 MeV-GeV γ선 천체망원경, 예를 들어 e-ASTROGAM은 이 다성분 어두운 물질 시나리오에서 예측된 선 신호에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ5 어두운 복사와 잔류 밀도에 기반한 천체론적 제약 조건은 중력보-아키노 다성분 어두운 물질 모델의 타당한 매개변수 영역에 대해 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 아키노 NLSP는 Eγ = m˜a/2에서 단색 선을 형성하며, MeV-GeV γ선 천체망원경에서 검출 가능한 신호를 생성할 수 있다.
• 중력보 LSP는 아키온과 아키노로 붕괴되며, 총 잔류 밀도에 기여하고, 두 붕괴가 관측 가능할 경우 이중선 γ선 신호를 가능하게 한다.
• e-ASTROGAM은 특히 아키노 질량이 10 MeV에서 1 GeV 사이일 경우 매개변수 공간의 상당한 영역을 탐색할 수 있으며, m˜a ≈ 100 MeV일 때 붕괴 너비에 대한 감도 한계가 약 10^(-30) s⁻¹에 이른다.
• 특수한 매개변수 영역에서는 아키노와 중력보의 붕괴로부터 이중선 신호가 발생할 수 있으며, e-ASTROGAM이 둘 다 해석 가능할 수 있다.
• 은하핵 주변 10°×10° ROI에서 NFW 프로파일의 D-요소는 11.8이며, J-요소는 174이다. 이는 γ선 플럭스 및 감도 한계 계산에 사용되었다.
• 연구는 은하핵 ROI보다 더 최적화된 ROI(예: 60° < |b| < 90°)를 사용할 경우 신호 대 잡음 비율과 감도가 약 8.4배 향상될 수 있음을 보여주었다.