[论文解读] Explaining the Fermi Galactic Centre Excess in the CMSSM

Andrew J. Williams|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 92被引用 6

一句话总结

该论文表明，尽管存在与现有LUX、IceCube和LHC限制之间的张力，费米银河系中心过量（GCE）仍可在约束最小超对称标准模型（CMSSM）框架内得到解释。它识别出CMSSM参数空间中一个狭窄且高度可预测的区域——包含200–280 GeV的中性子、1.3–1.7 TeV的胶球子以及重的标夸克——在此区域内，GCE与所有实验数据相容，并预测在未来几年内可在四个不同探测通道中观测到可观测信号。

ABSTRACT

We present an analysis of the compatibility between the Galactic Centre Excess (GCE) and the Constrained MSSM (CMSSM). We perform a global fit to the relevant experimental data including the GCE taking into account the systematic uncertainties. We find that the CMSSM is able to account for the GCE and maintain agreement with the other experimental searches, providing the first example that the GCE can be explained in the framework of universal supersymmetry. We map out the region compatible at 2 sigma and comment on its phenomenology. We find that for the CMSSM to explain the GCE the solution must lie close to the existing limits from LUX, IceCube and the LHC. We show that this provides definite predictions for Run 2 of the LHC, Xenon-1T and future observation with IceCube. Thus there exists the exciting possibility that the CMSSM could be observed in four distinct experimental channels over the next few years, which would be a striking signature for universal supersymmetry.

研究动机与目标

• 检验约束最小超对称标准模型（CMSSM）这一高度约束的超对称框架是否能够解释来自暗物质湮灭的银河系中心过量（GCE）。
• 在背景建模存在系统性不确定性的前提下，评估GCE与现有实验约束（包括LUX、IceCube和LHC数据）的相容性。
• 识别同时符合GCE和其他观测数据的CMSSM参数空间可行区域。
• 为未来实验（如LHC运行2期、Xenon-1T和IceCube）推导出明确且可检验的预测。

提出的方法

• 执行全局频密学$χ^2$分析，整合所有相关实验数据，包括GCE，并在似然函数中考虑系统性不确定性。
• 使用高斯似然函数对GCE在$χ^2$中的贡献进行建模，背景不确定性作为自由参数处理。
• 利用FeynHiggs和HIGGSSIGNALS计算希格斯玻色子的质量和耦合，并施加来自LHC和HiggsBounds的约束。
• 通过$m_\chi$–$\sigma_{\text{SI}}$平面上的似然图实现LUX的直接探测限制，同时将LHC和IceCube的约束作为上限纳入。
• 使用轮廓似然扫描确定超对称粒子质量及其不确定性的最有利取值。
• 分析中对比了包含和不包含GCE项的总$\chi^2$，以评估其对模型可行性的影响力。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMSSM能否在与所有当前实验约束相容的前提下解释费米银河系中心过量？
• RQ2 如果GCE源于CMSSM中中性子的湮灭，其对超对称粒子质量与截面的具体预测是什么？
• RQ3 在背景模型中引入系统性不确定性后，CMSSM作为GCE解释的可行性如何受到影响？
• RQ4 未来实验（如LHC运行2期、Xenon-1T和IceCube）中探测GCE信号的前景如何？
• RQ5 CMSSM参数空间中是否存在一个区域，使得GCE得以解释而不违反来自LUX、IceCube或LHC的现有限制？

主要发现

• CMSSM可在2σ水平上解释GCE，同时与其它实验约束相容，这是在通用超对称框架中首次实现此类结果。
• GCE的 favored 区域位于焦点点区域，中性子质量为200–280 GeV，最轻的带电粒子质量为250–350 GeV，胶球子质量为1.3–1.7 TeV。
• 自旋无关散射截面足够大，可在下一次LUX更新和Xenon-1T中产生可探测信号，预计可观测到数百个事件。
• 自旋依赖散射截面在IceCube运行数年后可达探测范围，提供互补的探测通道。
• 标夸克质量预测超过4.5 TeV，使其在LHC运行2期中不可探测，但胶球子和电弱超对称粒子仍处于LHC的发现能力范围内。
• 该情景预测了显著的多通道发现潜力：未来几年内可在直接探测、中微子望远镜和LHC中观测到信号。