[论文解读] Implications of the Fermi-LAT Pass 8 Galactic Center Excess on Supersymmetric Dark Matter

A. Achterberg, Melissa van Beekveld+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文重新評估了費米-LAT Pass 8 銀河系中心過量（GCE）與超對稱暗物質之間的相容性，專注於中性子湮滅至W玻色子或頂夸克的過程。研究發現，中性子質量在85–220 GeV之間的模型可解釋GCE，同時與直接探測、LHC及矮橢圓星系的約束一致，部分模型展現出較低的電弱微調。

ABSTRACT

The Fermi Collaboration has recently updated their analysis of gamma rays from the center of the Galaxy. They reconfirm the presence of an unexplained emission feature which is most prominent in the region of $1-10$ GeV, known as the Galactic Center GeV excess (GCE). Although the GCE is now firmly detected, an interpretation of this emission as a signal of self-annihilating dark matter (DM) particles is not unambiguously possible due to systematic effects in the gamma-ray modeling estimated in the Galactic Plane. In this paper we build a covariance matrix, collecting different systematic uncertainties investigated in the Fermi Collaboration's paper that affect the GCE spectrum. We show that models where part of the GCE is due to annihilating DM can still be consistent with the new data. We also re-evaluate the parameter space regions of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM) that can contribute dominantly to the GCE via neutralino DM annihilation. All recent constraints from DM direct detection experiments such as PICO, LUX, PandaX and Xenon1T, limits on the annihilation cross section from dwarf spheroidal galaxies and Large Hadron Collider limits are considered in this analysis. Due to a slight shift in the energy spectrum of the GC excess with respect to the previous Fermi analysis, and the recent limits from direct detection experiments, we find a slightly shifted parameter region of the MSSM compared to our previous analysis that is consistent with the GCE. Neutralinos with a mass between $85-220$ GeV can describe the excess via annihilation into a pair of $W$-bosons or top quarks. Remarkably, there are low fine-tuning models among the regions that we have found. The complete set of solutions will be probed by upcoming direct detection experiments and with dedicated searches in the upcoming data of the Large Hadron Collider.

研究动机与目标

• 評估費米-LAT Pass 8 銀河系中心過量（GCE）是否可由自發湮滅的超對稱暗物質粒子解釋。
• 利用新的Pass 8數據和近期實驗約束，更新與GCE相容的最小超對稱標準模型（MSSM）參數空間。
• 考慮伽馬射線譜中的系統性不確定性，評估中性子湮滅至W玻色子或頂夸克作為GCE來源的可行性。
• 確定可行的MSSM模型是否展現出低電弱微調，反映自然性。
• 識別未來直接探測實驗與LHC搜尋將能探測的MSSM參數空間區域。

提出的方法

• 構建一個協方差矩陣，以納入費米-LAT Pass 8分析中對GCE譜的系統性不確定性，特別是對譜形狀與形態的影響。
• 分析假設部分GCE流量（1–10 GeV）來自中性子暗物質湮滅，並對高能尾部（>10 GeV）擬合自由幂律譜。
• 掃描 phenomenological MSSM（pMSSM）參數空間，包含來自直接探測實驗（PICO、LUX、PandaX、Xenon1T）、LHC限制以及矮橢圓星系湮滅約束的限制。
• 使用文獻[41, 92, 93]中的方法計算電弱微調，專注於最輕中性子的希格斯ino組分作為微調的主要驅動因素。
• 將解分為兩個主要區域：W⁺W⁻湮滅（80–120 GeV）與t̄t湮滅（175–220 GeV），兩者具有不同的停夸克與希格斯玻色子質量依賴性。
• 評估模型與LHC對壓縮停夸克、重希格斯玻色子及中性子-費米子級聯衰變搜尋的相容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在更新的數據與約束條件下，費米-LAT Pass 8 銀河系中心過量能否由MSSM中的中性子暗物質湮滅解釋？
• RQ2 在滿足直接探測與LHC限制的前提下，解釋GCE的中性子質量與湮滅通道的可行範圍為何？
• RQ3 是否存在能解釋GCE且同時展現低電弱微調的MSSM模型，反映自然性？
• RQ4 新的Pass 8數據與系統性不確定性如何影響先前識別出的GCE參數區域？
• RQ5 未來的實驗——直接探測或LHC——將能探測本研究識別出的可行MSSM區域中的哪些部分？

主要发现

• 質量在85–220 GeV之間的中性子可透過W⁺W⁻或t̄t末態湮滅解釋GCE，且與Pass 8數據及系統性不確定性一致。
• W⁺W⁻湮滅通道在中性子質量80–120 GeV範圍內可行，其主要成分为雙子組分，並含有少量溫希子或希格斯ino混合，且展現低電弱微調（<20）。
• t̄t湮滅通道在中性子質量175–220 GeV範圍內可行，包含兩個次區域：一個為壓縮停-中性子能譜（停夸克質量接近中性子質量），另一個為增強的希格斯ino組分與重希格斯玻色子（500–1000 GeV）。
• t̄t區域中具有高希格斯ino組分的模型展現低微調，而希格斯ino組分較小且停夸克較輕的模型則展現較高微調。
• 完整的W⁺W⁻區域與希格斯ino增強的t̄t區域將由未來的直接探測實驗探測，而LHC可測試停夸克與重希格斯玻色子區塊。
• 分析確認，儘管近期直接探測與LHC搜尋的約束日益嚴苛，GCE仍與暗物質解釋相容，特別是在自然的MSSM模型中。