[논문 리뷰] Prospects for higgsino-singlino dark matter detection at IceCube and PINGU

Rikard Enberg, Shoaib Munir외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 18.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 110인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 다음세대 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)에서 힉스ино-싱글리노 어둠성 물질을 조사하며, LHC 제약 조건으로 인해 MSSM 중성보가 실패하는 질량 영역—10 GeV 이하, 60–100 GeV, 500–1000 GeV—에서 싱글리노 지배 중성보가 적절한 잔류 밀도를 달성할 수 있음을 보여준다. IceCube와 PINGU는 이러한 상태를 탐지할 수 있으며, PINGU는 10 GeV 어둠성 물질에 민감하고, DeepCore는 1년 내 데이터로 일부 점들을 이미 배제한다.

ABSTRACT

We study neutralino dark matter (DM) with large singlino fractions in the next-to-minimal supersymmetric Standard Model (NMSSM). We perform a detailed analysis of the parameter space regions of the model that give rise to such singlino-dominated neutralinos while satisfying the constraints from Higgs boson searches at the Large Electron Positron (LEP) collider and the Large Hadron Collider (LHC), as well as from b-physics experiments. We find that this DM can yield a thermal relic density consistent with the Planck measurement in mass regions where the lightest neutralino of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM) generally cannot. This is particularly true for lighter DM masses, either less than 10 GeV or between 60-100 GeV, and for heavier DM masses, between 500-1000 GeV. We then analyse the prospects for indirect detection of such DM at the IceCube neutrino telescope, assuming the complete 86-string configuration including DeepCore. We also consider the added sensitivity to low-mass DM with the proposed PINGU extension. We find that IceCube is sensitive to some regions of the NMSSM parameter space containing singlino-dominated DM and that a subset of such model points are already ruled out by the IceCube one-year data. IceCube will also be sensitive to some parameter space regions that will not be probed by the upcoming ton-scale direct detection experiments. Moreover, we find that PINGU will be sensitive to DM in the 10 GeV range.

연구 동기 및 목표

• 빛은 중성보가 상당한 싱글리노 성분을 가지며 천체물리학적 및 입자물리학적 제약 조건을 만족하는 NMSSM 매개변수 공간의 타당한 영역을 규명하는 것.
• 태양에서 중성보의 상호작용으로 발생하는 뉴트리노를 통한 간접 탐지 잠재력 평가.
• IceCube, DeepCore, 그리고 제안된 PINGU 검출기의 이러한 어둠성 물질 후보에 대한 감도 평가.
• 뉴트리노 천문대와 XENON1T와 같은 톤 스케일의 직접 탐지 실험 간의 상호보완성 입증.

제안 방법

• LHC, LEP, b-물리 실험, Planck의 잔류 밀도 측정 결과로부터 제약을 받는 NMSSM 매개변수 공간의 세밀한 스캔 수행.
• IceCube 뉴트리노플럭스 코드와 대기 배경 모델을 사용하여 태양에서 중성보 상호작용으로 발생하는 뉴트리노 플럭스 계산.
• 점별 신호 및 배경 시뮬레이션을 통해 IceCube, DeepCore, PINGU 검출기에서의 통계적 유의성 평가.
• 1년 내 데이터 유의성에서 추정하여, PINGU와 DeepCore에서 5σ 유의성을 달성하는 데 필요한 캘린더 연수 추정.
• 검출기 간 감도 비교 및 XENON1T와의 비교를 통해 뉴트리노 천문대에서만 접근 가능한 매개변수 영역 식별.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 및 LEP 제약 조건을 만족하면서 관측된 어둠성 물질 잔류 밀도를 재현할 수 있는 싱글리노 지배 중성보를 가진 NMSSM 매개변수 공간의 영역은 어디인가?
• RQ2 IceCube 뉴트리노 천문대는 태양에서 발생하는 뉴트리노를 통해 힉스ино-싱글리노 어둠성 물질의 간접 탐지에 얼마나 민감한가?
• RQ3 PINGU 저에너지 확장은 어떤 잠재력을 지니며 10 GeV 범위의 경량 어둠성 물질을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 IceCube/DeepCore와 PINGU는 XENON1T와 같은 톤 스케일의 직접 탐지 실험과 비교해 어떤 매개변수 영역에서 상호보완적인 커버리지 제공하는가?

주요 결과

• NMSSM에서 싱글리노 지배 중성보는 LHC 제약 조건으로 인해 MSSM 중성보가 실패하는 질량 영역—10 GeV 이하, 60–100 GeV, 500–1000 GeV—에서 적절한 열적 잔류 밀도를 달성할 수 있다.
• 싱글리노 지배 어둠성 물질를 가진 모델 점들 중 일부는 이미 1년 내 IceCube 데이터로 배제되었으며, 이는 현재 이러한 유형의 모델에 대한 민감도를 보여준다.
• DeepCore는 XENON1T가 접근할 수 없는 매개변수 영역, 특히 100 GeV 질량 범위에서 점차 증가하는 감도로 탐지할 수 있다.
• PINGU는 약 10 GeV 어둠성 물질에 민감할 것으로 기대되나, 일부 점들에 대해 2σ 유의성을 확보하기 위해 수 년의 운영 시간이 필요할 수 있다.
• DeepCore와 PINGU의 조합은 XENON1T와 상호보완적인 커버리지 제공하며, 직접 탐지 실험에서 접근 불가능한 저질량 어둠성 물질 점들을 탐지할 수 있다.
• 낮은 질량 영역에서는 PINGU가, 더 높은 질량 영역에서는 DeepCore가 힉스ино-싱글리노 어둠성 물질 탐지에서 최고의 유의성을 달성하며, 저에너지 뉴트리노 탐지의 중요성을 부각시킨다.