[논문 리뷰] Sneutrino Dark Matter in the BLSSM

Luigi Delle Rose, Shaaban Khalil외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 14.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 B-L 초대칭 표준모형(BLSSM)에서 스넬레프톤을 스핀-0 암흑물질(DM) 후보로 조사하며, W⁺W⁻ 쌍으로의 붕괴가 페르미LAT에 의해 감지 가능한 고에너지 감마선 스펙트럼을 생성함을 보여준다. 연구 결과, 직접 탐지 가능성은 낮지만, LHC는 런 2 및 런 3 데이터에서 다중 레프톤 서명을 통해 스넬레프톤 DM을 탐지할 수 있으며, 간접 탐지는 페르미온성 DM 후보와의 구별을 위한 유망한 길을 제공한다.

ABSTRACT

In the framework of the $(B-L)$ Supersymmetric Standard Model (BLSSM), we assess the ability of ground and space based experiments to establish the nature of its prevalent Dark Matter (DM) candidate, the sneutrino, which could either be CP-even or -odd. Firstly, by benchmarking this theory construct against the results obtained by the Planck spacecraft, we extract the portions of the BLSSM parameter space compliant with relic density data. Secondly, we show that, based on current sensitivities of the Fermi Large Area Telescope (FermiLAT) and their future projections, the study of high-energy $γ$-ray spectra will eventually enable us to extract evidence of this DM candidate through its annihilations into $W^+W^-$ pairs (in turn emitting photons), in the form of both an integrated flux and a differential energy spectrum which cannot be reconciled with the assumption of DM being fermionic (like, e.g., a neutralino), although it should not be possible to distinguish between the scalar and pseudoscalar hypotheses. Thirdly, we show that, while underground direct detection experiments will have little scope in testing sneutrino DM, the Large Hadron Collider (LHC) may be able to do so in a variety of multi-lepton signatures, with and without accompanying jets (plus missing transverse energy), following data collection during Run 2 and 3.

연구 동기 및 목표

• B-L 초대칭 표준모형(BLSSM)에서 스넬레프톤이 플랑크의 잔류 밀도 제약 조건을 고려할 때 암흑물질 후보로 타당한지 평가하기.
• 특히 페르미LAT와 같은 간접 탐지 실험을 통해 스넬레프톤 DM이 페르미온성 DM 후보(예: 중성차이)와 어떻게 감마선 스펙트럼의 형태로 구별될 수 있는지 평가하기.
• 런 2 및 런 3 데이터에서 다중 레프톤 및 제트 + 미량 횡방향 운동량 서명을 통해 LHC가 스넬레프톤 DM을 탐지할 수 있는 임계 범위를 탐색하기.
• 통합 복사 밀도는 유사하지만, 차별화된 에너지 의존성으로 인해, CP-짝성 또는 CP-홀성 성질이 감마선 스펙트럼의 미분 분포를 통해 식별 가능한지 여부를 판단하기.
• BLSSM에서의 스넬레프톤 DM 현상학을 MSSM과 대조하여, 고유한 간접 및 직접 탐지 가능성을 부각하기.

제안 방법

• 플랑크 2015년 잔류 밀도 측정치와 비교하여 BLSSM 매개변수 공간을 벤치마킹하여, 스넬레프톤 LSP가 관측된 암흑물질 밀도를 충족시키는 영역을 식별하기.
• 주요 스넬레프톤 붕괴 채널인 W⁺W⁻ 쌍으로의 붕괴를 시뮬레이션하고, 그 결과로 발생하는 고에너지 감마선 스펙트럼(통합 복사 밀도 및 에너지 분포 포함)을 계산하기.
• 스넬레프톤 DM에서 예측된 감마선 스펙트럼을 페르미온성 중성차이 DM 후보에서 기대되는 스펙트럼과 비교하여 에너지 의존성에서의 특징적인 차이를 식별하기.
• 페르미LAT가 예측된 감마선 신호를 감지할 수 있는 민감도 평가 및 향후 15년간의 데이터 수집 기간 동안의 감지 가능성 예측하기.
• 스넬레프톤 DM 생성에서의 LHC 서명 분석을 통해 다중 레프톤 최종 상태(제트 유무 포함) 및 미량 횡방향 운동량을 중심으로 하되, 무거운 뉴트리노와 치아린오/중성차이를 포함한 붕괴 체인을 고려하기.
• 직접 탐지 실험의 한계 평가: 핵자와의 결합이 약한 잠재적 매개체(Z′ 또는 무거운 힉스)로 인해 이 채널에서의 민감도가 유의미하게 떨어지며, 이는 이 채널에서의 탐지 가능성 제거를 의미한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BLSSM에서 스넬레프톤은 플랑크에서 관측된 잔류 밀도를 충족시키는 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ2 페르미LAT는 감마선 스펙트럼의 형태를 통해 (양성)스칼라 스넬레프톤 DM을 페르미온성 중성차이 DM과 구별할 수 있는가?
• RQ3 런 2 및 런 3 데이터에서 LHC에서 다중 레프톤 및 제트 + 미량 횡방향 운동량 최종 상태를 통해 스넬레프톤 DM을 탐지할 가능성은 어떠한가?
• RQ4 감마선 데이터를 통해 스넬레프톤 DM의 CP-짝성 또는 CP-홀성 성질을 어느 정도까지 식별할 수 있는가?
• RQ5 BLSSM에서 W⁺W⁻ 붕괴 채널이 MSSM보다 페르미LAT에 더 잘 감지되는 이유는 무엇이며, 이는 암흑물질 현상학에 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• BLSSM에서 스넬레프톤 LSP는 MSSM에서 중성차이와 비교해 훨씬 더 넓은 매개변수 공간 범위에서 플랑크에서 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 충족시킬 수 있다.
• 주요 스넬레프톤 붕괴 채널인 W⁺W⁻ 쌍으로의 붕괴는 페르미온성 DM 후보(예: 중성차이)에서는 재현될 수 없는 특징적인 미분 감마선 스펙트럼을 생성한다.
• 페르미LAT는 현재 예측된 스넬레프톤 DM 신호에 대한 민감도 이하에 있지만, 향후 약 15년간의 데이터 수집 기간 동안 신호가 감지 가능해질 전망이다.
• CP-홀성 스넬레프톤 DM의 통합 감마선 복사 밀도는 CP-짝성 상태보다 유의미하게 높지만, 미분 스펙트럼은 너무 유사하여 페르미LAT만으로는 두 성질을 구별할 수 없다.
• LHC는 무거운 뉴트리노와 치아린오를 포함한 붕괴 체인 덕분에 런 2 및 런 3 데이터에서 다중 레프톤 최종 상태(제트 유무 포함)를 통해 스넬레프톤 DM을 탐지할 수 있는 강력한 잠재력을 지닌다.
• 직접 탐지 실험은 Z′ 및 무거운 힉스 매개체가 핵자와의 결합이 약하기 때문에 스넬레프톤 DM을 탐지할 가능성이 낮으며, 이 채널에서의 민감도는 유의미하게 떨어진다.