[论文解读] 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-Fogliani+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了在μνSSM框架下， gravitino为最轻的超对称粒子（LSP）且axino为次轻的超对称粒子（NLSP）的多组分暗物质情景，两者均对暗物质有贡献。axino衰变为光子与中微子，产生可探测的单色γ射线线；gravitino也衰变为光子-中微子对，从而产生双线信号。未来的MeV-GeV能量段γ射线望远镜（如e-ASTROGAM）可探测到参数空间中的显著区域，特别是在双线均可探测的特殊区域。

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.

研究动机与目标

• 探索μνSSM框架下，gravitino LSP与axino NLSP构成的多组分暗物质情景的宇宙学与γ射线信号特征。
• 评估axino NLSP衰变为光子-中微子对所产生γ射线线信号的可探测性，以及gravitino LSP衰变为光子-中微子对的可探测性。
• 确定未来γ射线望远镜（如e-ASTROGAM与AMEGO）在MeV-GeV能量段对这一双线信号的探测灵敏度。
• 利用当前Fermi-LAT与COMPTEL的γ射线数据对参数空间进行约束，并评估发现前景。

提出的方法

• 本研究采用μνSSM框架，同时解决μ问题，并通过右手中微子实现中微子数据的精确再现。
• 通过R-奇偶性破坏相互作用，计算axino NLSP衰变为光子-中微子的宽度，衰变速率取决于axino质量与耦合强度。
• 在R-奇偶性破坏条件下，评估gravitino LSP衰变为光子-中微子的衰变速率，其衰变速率与耦合强度的平方及gravitino质量成正比。
• 计算多组分暗物质系统的遗迹密度，综合考虑gravitino与axino的贡献，并施加暗辐射与BBN的约束。
• 利用D因子与J因子，结合不同暗物质密度分布（NFW、Moore、Einasto、Burkert），在银河系中心附近10°×10°的区域，计算两种衰变产生的γ射线通量。
• 通过将γ射线线通量的上限与预期信号强度进行比较，结合保守的区域选择与标准仪器参数，推导e-ASTROGAM的灵敏度预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 axino NLSP衰变为光子与中微子是否能在MeV-GeV能量段产生可探测的单色γ射线线？
• RQ2 gravitino LSP是否也能衰变为光子-中微子对，产生第二条γ射线线？两条线是否可同时被探测到？
• RQ3 未来γ射线望远镜（如e-ASTROGAM）可探测μνSSM参数空间的哪些区域？
• RQ4 当前γ射线观测（Fermi-LAT与COMPTEL）如何约束此多组分暗物质模型的参数空间？
• RQ5 不同暗物质密度分布（NFW、Moore、Einasto、Burkert）对γ射线线信号可探测性有何影响？

主要发现

• 未来的MeV-GeV能量段γ射线望远镜（如e-ASTROGAM）可探测到μνSSM中gravitino LSP与axino NLSP构成的参数空间的显著区域。
• 在参数空间的特殊区域，axino与gravitino衰变产生的双线γ射线信号可被e-ASTROGAM同时探测到。
• 当前Fermi-LAT与COMPTEL的γ射线数据已排除部分参数空间，特别是axino质量低于~100 MeV及gravitino质量低于~100 GeV的区域。
• e-ASTROGAM对暗物质衰变为光子与中性粒子（Nγ(dec) = 1）的信号灵敏度预测显示，其可在广泛的质量范围内探测到信号，D因子范围为4.44至19.0（对应不同暗物质分布）。
• 分析表明，采用银道坐标系中60° < |b| < 90°的银晕区域，相比湮灭研究中常用的银河系中心区域，可提升信背比并增强探测前景。
• 只要saxion性质适当调制以避免晚期熵注入，该模型仍与BBN及暗辐射约束保持一致。