[论文解读] Unstable Gravitino Dark Matter - Prospects for Indirect and Direct Detection

Michael Grefe|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2011

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 329被引用 14

一句话总结

本文研究了在双线性R-宇称破坏的超对称模型中不稳定的 gravitino 暗物质，计算了三体衰变宽度，并预测了宇宙射线谱。研究发现，尽管 gravitino 衰变可能解释 PAMELA/Fermi 正电子异常，但伽马射线和反质子数据施加的强烈约束排除了这一可能性，从而得出了 gravitino 寿命和 R-宇称破坏尺度的严格限制。

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.

研究动机与目标

• 评估不稳定 gravitino 暗物质作为解释 PAMELA 和 Fermi LAT 观测到的宇宙射线正电子和电子过剩的可行性。
• 在 R-宇称破坏模型中，详细计算 gravitino 衰变宽度，特别关注涉及矢量玻色子、希格斯粒子和费米子的三体末态。
• 利用来自伽马射线、反质子、反氘核和中微子的间接探测数据，推导 gravitino 寿命和 R-宇称破坏尺度的约束。
• 评估通过核子上的非弹性散射探测 gravitino 暗物质的前景。
• 探索 IceCube 等中微子望远镜对来自 gravitino 衰变的中微信号的敏感度。

提出的方法

• 使用有效场论和费曼规则，计算 R-宇称破坏模型中 gravitino 衰变宽度，重点分析涉及矢量玻色子、希格斯粒子和费米子的三体衰变。
• 利用相对论性运动学和相空间积分，计算 gravitino 衰变产生的末态粒子（伽马射线、带电宇宙射线、中微子、反氘核）的能谱。
• 应用 Fermi-LAT（伽马射线）、PAMELA/AMS-02（正电子、反质子）和 IceCube（中微子）的观测约束，推导 gravitino 寿命的上限。
• 通过 Higgs、Z 玻色子和光子交换，利用有效相互作用和矩阵元计算，评估 gravitino-核子非弹性散射截面。
• 在核子静止参考系中，使用运动学和洛伦兹不变表达式，计算微分截面和总散射速率。
• 对多种宇宙射线通道（包括反氘核和中微子）的探测灵敏度进行比较分析，以确定最优搜索策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 PAMELA 和 Fermi LAT 测量到的宇宙射线正电子和电子过剩能否由不稳定 gravitino 暗物质的衰变解释？
• RQ2 从伽马射线和反质子观测中推导出的 gravitino 寿命和 R-宇称破坏尺度的约束是什么？
• RQ3 反氘核探测对低质量 gravitino 暗物质的敏感度如何？
• RQ4 IceCube 等中微子望远镜对来自 gravitino 衰变的中微信号的探测能力如何？
• RQ5 gravitino 在核子上的非弹性散射是否能在直接探测实验中产生可探测信号？

主要发现

• 由于伽马射线和反质子数据的强烈约束，宇宙射线中观测到的正电子和电子过剩无法由不稳定 gravitino 暗物质解释。
• 本文推导出 gravitino 寿命的严格上限，在大多数 R-宇称破坏情景中，排除了超过 ∼10^26 秒的寿命。
• 反氘核探测对低 gravitino 质量（m_{3/2} < 100 GeV）特别敏感，在此质量范围内提供了有希望的探测通道。
• 对于较重的 gravitino（m_{3/2} > 1 TeV），IceCube 等中微子望远镜在探测 gravitino 衰变方面与其他宇宙射线通道具有竞争力。
• 尽管 gravitino-核子非弹性散射截面相比弹性散射有所增强，但预期信号在地下直接探测实验中仍小了多个数量级，无法探测。
• 该分析为通过多种宇宙射线通道约束 R-宇称破坏的 gravitino 暗物质提供了全面框架，对未来实验具有重要意义。