[논문 리뷰] MeV-GeV $γ$-ray telescopes probing gravitino LSP with coexisting axino NLSP as dark matter in the $μν$SSM

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

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 μνSSM 프레임워크에서 중성미자와 광자를 포함한 단색 γ선 선을 생성하는 중성미자와 중성미자 붕괴로 인해 검출 가능한 다성분 어두운 물질 시나리오를 조사한다. 중성미자는 광자와 중성미자로 붕괴되며, 중성미자는 또한 광자-중성미자 쌍으로 붕괴되어 이중선 신호를 생성한다. 향후 MeV-GeV γ선 망원경, 예를 들어 e-ASTROGAM은 특히 두 선이 동시에 검출 가능한 특별한 영역에서 매개변수 공간의 상당 부분을 탐색할 수 있다.

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 $γ$-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 $γ$-ray spectrum. The analysis is carried out in the framework of the $μν$SSM, which solves the $μ$ 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 $γ$-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

• μνSSM 프레임워크에서 중성미자 LSP와 중성미자 NLSP를 포함한 다성분 어두운 물질 시나리오의 천체물리적 및 γ선 서명을 탐색하는 것.
• 중성미자 NLSP의 광자-중성미자 붕괴에서 발생하는 γ선 선 신호의 검출 가능성 평가.
• 향후 γ선 망원경, 예를 들어 e-ASTROGAM과 AMEGO의 MeV-GeV 에너지 범위에서의 이중선 신호 감도 평가.
• 현재의 γ선 데이터(Fermi-LAT, COMPTEL)를 사용하여 매개변수 공간을 제약하고 발견 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 연구는 우주론적 문제를 해결하고 오른쪽 회전 중성미자를 통해 중성미자 데이터를 재현하기 위해 μνSSM를 사용한다.
• R-대칭 위반 상호작용을 통해 중성미자 NLSP의 광자-중성미자 붕괴 너비를 계산하며, 붕괴율은 중성미자 질량과 결합 상수에 의존한다.
• R-대칭 위반 조건 하에서 중성미자 LSP의 광자-중성미자 붕괴를 평가하며, 붕괴율은 결합 상수의 제곱과 중성미자 질량에 비례한다.
• 어두운 물질 밀도의 잔류 밀도를 계산하며, 중성미자와 중성미자 기여를 모두 고려하고 어두운 복사와 BBN 제약 조건을 만족시킨다.
• 다양한 어두운 물질 밀도 프로파일(NFW, Moore, Einasto, Burkert)과 은하 중심 근처 10°×10° ROI를 사용하여 두 붕괴에서 유래하는 γ선 플럭스를 계산한다.
• e-ASTROGAM의 감도 예측은 상한선 γ선 선 플럭스와 기대 신호 강도를 비교하여 유도되며, 보수적인 ROI와 표준 기구적 파rameter를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미자 NLSP가 광자와 중성미자로 붕괴하여 MeV-GeV 범위에서 검출 가능한 단색 γ선 선을 생성할 수 있는가?
• RQ2 중성미자 LSP도 광자-중성미자 쌍으로 붕괴하여 두 번째 γ선 선을 생성할 수 있으며, 두 선을 동시에 관측할 수 있는가?
• RQ3 향후 γ선 망원경인 e-ASTROGAM이 탐색할 수 있는 μνSSM 매개변수 공간의 영역은 어디인가?
• RQ4 현재의 γ선 관측(Fermi-LAT, COMPTEL)은 이 다성분 어두운 물질 모델의 매개변수 공간에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ5 다른 어두운 물질 밀도 프로파일(NFW, Moore, Einasto, Burkert)은 γ선 선 신호의 검출 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 향후 MeV-GeV γ선 망원경, 예를 들어 e-ASTROGAM은 중성미자 LSP와 중성미자 NLSP를 포함한 μνSSM의 매개변수 공간의 상당 부분을 탐색할 수 있다.
• 특정 영역에서는 중성미자와 중성미자 붕괴에서 유래한 이중선 γ선 신호가 e-ASTROGAM으로 검출 가능하다.
• 현재의 γ선 데이터(Fermi-LAT, COMPTEL)는 특히 중성미자 질량이 약 ~100 MeV 이하이거나 중성미자 질량이 약 ~100 GeV 이하일 경우 매개변수 공간의 일부를 배제한다.
• e-ASTROGAM의 어두운 물질 붕괴에 의한 광자-중성입자(Nγ(dec) = 1) 신호 감도는 다양한 어두운 물질 프로파일에서 D-팩터가 4.44에서 19.0 사이인 범위에서 광범위한 질량 범위에서 신호를 탐지할 수 있도록 예측된다.
• 은하수의 영역(60° < |b| < 90°)을 사용할 경우, 붕괴 연구에서 사용된 은하 중심 ROI보다 신호 대 배경 비율을 향상시켜 검출 가능성을 높일 수 있다.
• 세크션 성질가 적절히 조정되어 늦은 시기의 엔트로피 주입을 방지하는 한, 모델은 BBN 및 어두운 복사 제약 조건과 일치한다.