[논문 리뷰] Unstable Gravitino Dark Matter - Prospects for Indirect and Direct Detection

Michael Grefe|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 29.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 329인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 이중선형 R-짝성 위반을 포함하는 초대칭 모델에서의 불안정한 글루아인 퀀텀 장의 어둠의 물질을 조사하며, 삼체 붕괴 폭발 너비를 계산하고 간섭 우주선 스펙트럼을 예측한다. 이는 펄라마/스위프 페지티론 이상 현상이 글루아인 붕괴로 설명될 수 있음을 보여주지만, 감마선 및 반프로톤 데이터로부터의 강력한 제약 조건이 이러한 가능성을 배제하며, 글루아인 수명과 R-짝성 위반 스케일에 대한 엄격한 경계를 제시한다.

ABSTRACT

We confront the signals expected from unstable gravitino dark matter with observations of indirect dark matter detection experiments in all possible cosmic-ray channels. For this purpose we calculate in detail the gravitino decay widths in theories with bilinear violation of R parity, particularly focusing on decay channels with three particles in the final state. Based on these calculations we predict the fluxes of gamma rays, charged cosmic rays and neutrinos expected from decays of gravitino dark matter. Although the predicted spectra could in principal explain the anomalies observed in the cosmic-ray positron and electron fluxes as measured by PAMELA and Fermi LAT, we find that this possibility is ruled out by strong constraints from gamma-ray and antiproton observations. Therefore, we employ current data of indirect detection experiments to place strong constraints on the gravitino lifetime and the strength of R-parity violation. In addition, we discuss the prospects of forthcoming searches for a gravitino signal in the spectrum of cosmic-ray antideuterons, finding that they are in particular sensitive to rather low gravitino masses. Finally, we discuss in detail the prospects for detecting a neutrino signal from gravitino dark matter decays, finding that the sensitivity of neutrino telescopes like IceCube is competitive to observations in other cosmic ray channels, especially for rather heavy gravitinos. Moreover, we discuss the prospects for a direct detection of gravitino dark matter via R-parity violating inelastic scatterings off nucleons. We find that, although the scattering cross section is considerably enhanced compared to the case of elastic gravitino scattering, the expected signal is many orders of magnitude too small in order to hope for a detection in underground detectors.

연구 동기 및 목표

• PAMELA 및 페르미 LAT에서 관측된 간섭 우주선 페지티론 및 전자 과잉 현상에 대한 불안정한 글루아인 어둠의 물질의 타당성을 평가하기 위해.
• 특히 R-짝성 위반 모델에서의 삼체 최종 상태에 중점을 두어 글루아인 붕괴 너비를 상세히 계산하기 위해.
• 감마선, 반프로톤, 반디테르론, 중성자에 의한 간접 탐지 데이터를 사용하여 글루아인 수명과 R-짝성 위반 스케일에 대한 제약 조건을 유도하기 위해.
• 핵자에 대한 비탄성 산란을 통한 글루아인 어둠의 물질의 직접 탐지 가능성 평가하기 위해.
• IceCube와 같은 중성자 탐지기의 감도가 글루아인 붕괴에서 발생하는 중성자 신호에 대해 어떻게 되는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 벡터 보손, 힉스, 페르미온을 포함한 삼체 붕괴에 대한 효과적인 양자장 이론 및 파인먼 규칙을 사용하여 R-짝성 위반 모델에서의 글루아인 붕괴 너비를 계산하기 위해.
• 상대론적 운동론과 위상공간 적분을 사용하여 글루아인 붕괴에서 발생하는 최종 입자(감마선, 탄성 우주선, 중성자, 반디테르론)의 스펙트럼을 계산하기 위해.
• Fermi-LAT(감마선), PAMELA/AMS-02(페지티론, 반프로톤), IceCube(중성자)의 관측 제약 조건을 적용하여 글루아인 수명에 대한 상한을 유도하기 위해.
• 효과적 상호작용과 행렬 원소 계산을 사용하여 힉스, Z, 그리고 광자 교환에 의한 비탄성 글루아인-핵자 산란 단면적을 평가하기 위해.
• 핵자 정지 프레임에서 미분 단면적과 총 산란률에 대한 운동량 및 로렌츠 불변 표현식을 사용하기 위해.
• 반디테르론 및 중성자와 같은 다른 간섭 우주선 채널을 포함한 다양한 채널 간의 탐지 감도를 비교 분석하여 최적의 탐색 전략을 규명하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PAMELA 및 페르미 LAT에서 측정된 간섭 우주선 페지티론 및 전자 과잉 현상은 불안정한 글루아인 어둠의 물질의 붕괴로 설명될 수 있는가?
• RQ2 감마선 및 반프로톤 관측 결과로부터 도출된 글루아인 수명과 R-짝성 위반 스케일에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 저질량 글루아인 어둠의 물질에 대해 반디테르론 탐지가 얼마나 민감한가?
• RQ4 IceCube와 같은 중성자 탐지기에서 글루아인 붕괴로부터 발생하는 중성자 신호의 탐지 가능성은 어떠한가?
• RQ5 글루아인 어둠의 물질이 핵자와 비탄성 산란을 통해 직접 탐지 실험에서 감지 가능한 신호를 낼 수 있는가?

주요 결과

• 감마선 및 반프로톤 데이터로부터의 강력한 제약 조건으로 인해, 간섭 우주선 페지티론 및 전자 과잉 현상은 불안정한 글루아인 어둠의 물질의 붕괴로 설명될 수 없다.
• 논문은 대부분의 R-짝성 위반 시나리오에서 10^26 초보다 긴 글루아인 수명을 배제하는 엄격한 상한을 도출한다.
• 반디테르론 탐지는 저질량 글루아인 질량(m_{3/2} < 100 GeV)에 대해 특히 민감하며, 이 질량 범위에서 유망한 탐지 채널을 제공한다.
• IceCube와 같은 중성자 탐지기는 무거운 글루아인(m_{3/2} > 1 TeV)에 대해 다른 간섭 우주선 채널과 경쟁 가능한 감도를 보이며, 특히 이 경우에 유리하다.
• 비탄성 글루아인-핵자 산란 단면적은 탄성 산란에 비해 증가하지만, 지하 직접 탐지 실험에서 기대되는 신호는 감지 가능한 수준보다 수십 개의 주기수만큼 작다.
• 이 분석은 다양한 간섭 우주선 채널을 통해 R-짝성 위반 글루아인 어둠의 물질을 제약하는 종합적인 프레임워크를 제공하며,未래 실험에 대한 함의를 포함한다.