[论文解读] 130 GeV Gamma Ray Signal in NMSSM by Internal Bremsstrahlung

Gaurav Tomar, Subhendra Mohanty+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2013

Particle Detector Development and Performance被引用 3

一句话总结

该论文在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中提出了一种130 GeV的希格斯ino暗物质候选者，通过内轫致辐射（$\chi\chi\rightarrow f\bar{f}\gamma$）解释费米-LAT探测到的130 GeV伽马射线过量。该模型通过右超粒子共湮灭实现正确的遗迹密度，满足125 GeV希格斯玻色子质量要求，避开XENON100的约束，并在XENON1T中预测出可探测的信号，所需增强因子约为590。

ABSTRACT

There is a possible γ-ray signal at 130 GeV coming from the Galactic Center as seen by Fermi-LAT experiment. We give a SUSY dark matter model to explain this γ-ray feature in NMSSM. We show that in NMSSM, one can have a benchmark set in which the γ-ray signal arises from final state γ's in the $χχ o f \bar f γ$ annihilation of a 130 GeV bino dark matter requiring a boost factor of ~590 to fit the γ-ray signal. In addition, this benchmark set also gives the correct relic density, lightest Higgs mass of 125 GeV and is consistent with constraints on SUSY from LHC. This dark matter model evades the XENON100 constraint but is testable in a future XENON1T experiment.

研究动机与目标

• 使用超对称暗物质模型解释费米-LAT在银河系中心观测到的130 GeV伽马射线信号。
• 构建一个自然的NMSSM情景，使得130 GeV的希格斯ino LSP通过内轫致辐射产生信号，而无需精细调节的共振态。
• 满足宇宙学和对撞机约束，包括正确的遗迹密度、125 GeV希格斯玻色子质量，以及与LHC数据的一致性。
• 确保模型避开当前直接探测限制（XENON100），同时在未来的实验（如XENON1T）中仍可探测。
• 验证该模型不会过度产生电子-正电子或反质子通量，超出宇宙射线背景。

提出的方法

• 使用NMSSM框架引入一个单态超多重态，通过单态ino-希格斯ino混合实现自然的希格斯ino质量生成。
• 采用内轫致辐射（$\\chi\\chi\\rightarrow f\\bar{f}\\gamma$）增强光子末态，克服自旋抑制，而无需大混合角。
• 设定基准参数：130 GeV的希格斯ino LSP，低右超粒子质量（约135 GeV），以及大的$\lambda \sim -0.62$耦合，以实现正确的遗迹密度和希格斯玻色子质量。
• 使用micrOMEGAs 3.1计算湮灭截面和通量，随后输入GALPROP进行银河系内的传播计算。
• 施加等温暗物质密度剖面，并引入约590的增强因子以匹配费米-LAT的伽马射线信号。
• 使用有效拉格朗日量评估直接探测截面，并将预测值与XENON100和XENON1T的实验限制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 130 GeV费米-LAT伽马射线过量是否能通过NMSSM中130 GeV希格斯ino暗物质候选者经由内轫致辐射机制解释？
• RQ2 该模型是否能在不微调$\mu$参数的情况下实现正确的遗迹密度和125 GeV希格斯玻色子质量？
• RQ3 该模型是否与宇宙射线产生的电子-正电子和反质子通量的约束一致？
• RQ4 该模型是否能避开当前XENON100的直接探测限制，同时在XENON1T中仍可探测？
• RQ5 为匹配费米-LAT信号，所需增强因子是多少，且不会过度产生其他宇宙射线种类？

主要发现

• 130 GeV希格斯ino暗物质模型通过内轫致辐射机制解释费米-LAT 130 GeV伽马射线信号，所需增强因子约为590。
• 该模型通过右超粒子共湮灭实现正确的遗迹密度，右超粒子质量接近135 GeV。
• 125 GeV希格斯玻色子质量通过标量势中$\lambda \sim -0.62$的耦合实现。
• 自旋无关直接探测截面为$\sigma^{p}_{\rm SI} = 5.8 \times 10^{-10}$ pb，低于XENON100的限制，但处于XENON1T的探测范围内。
• 自旋依赖截面为$\sigma^{p}_{\rm SD} = 6.21 \times 10^{-6}$ pb，远低于Super-K和IceCube的当前限制。
• 该模型不会过度产生电子-正电子或反质子通量，与费米-LAT及其他宇宙射线数据一致。