[论文解读] Interpreting the galactic center gamma-ray excess in the NMSSM

Junjie Cao, Liangliang Shang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用 10

一句话总结

本文研究了在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中，由具有单态主导希格斯和中性子粒子的多种末态组成的暗物质（DM）湮灭所导致的银心伽马射线过量（GCE）。结果表明，最能解释GCE的是 $χₗ₁^{0}\u03c7ₗ₁^{0} \to A_{1}H_{i}$ 湮灭通道，其 $p$-值为 0.55，且XENON-1T预计可检验几乎所有可行解。

ABSTRACT

In the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), all singlet-dominated particles including one neutralino, one CP-odd Higgs boson and one CP-even Higgs boson can be simultaneously lighter than about 100 GeV. Consequently, dark matter (DM) in the NMSSM can annihilate into multiple final states to explain the galactic center gamma-ray excess (GCE). In this work we take into account the foreground and background uncertainties for the GCE and investigate these explanations. We carry out a sophisticated scan over the NMSSM parameter space by considering various experimental constraints such as the Higgs data, $B$-physics observables, DM relic desnity, LUX experiment and the dSphs constraints. Then for each surviving parameter point we perform a fit to the GCE spectrum by using the correlation matrix that incorporates both the statistical and systematic uncertainties of the measured excess. After examining the properties of the obtained GCE solutions, we conclude that the GCE can be well explained by the pure annihilations $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o b \bar{b} $ and $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o A_1 H_i $ with $A_1$ being the lighter singlet-dominated CP-odd Higgs boson and $H_i$ denoting the singlet-dominated CP-even Higgs boson or SM-like Higgs boson, and it can also be explained by the mixed annihilation $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o W^+ W^-, A_1 H_1$. Among these annihilation channels, $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o A_1 H_i $ can provide the best interpretation with the corresponding $p$-value reaching 0.55. We also discuss to what extent the future DM direct detection experiments can explore the GCE solutions and conclude that the XENON-1T experiment is very promising in testing nearly all the solutions.

研究动机与目标

• 将银心伽马射线过量（GCE）解释为在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中由暗物质（DM）湮灭产生。
• 使用包含统计误差和系统误差的相关矩阵，对GCE谱中的前景和背景不确定性进行建模。
• 在多种实验约束下，对NMSSM参数空间进行全面扫描，包括希格斯粒子数据、$B$-物理可观测量、DM遗迹密度、LUX实验以及矮椭圆星系（dSph）约束。
• 识别能够同时重现观测到的GCE形态和能谱的可行DM湮灭通道。

提出的方法

• 在NMSSM参数空间中进行全局扫描，施加来自希格斯信号强度、$B$-物理可观测量、DM遗迹密度、LUX直接探测以及矮椭圆星系（dSph）极限的约束。
• 使用相关矩阵拟合GCE谱，整合费米-LAT数据中的统计误差和系统误差。
• 识别并分析涉及单态主导粒子的DM湮灭通道：中性子（$\tilde{\chi}_1^0$）、CP奇希格斯（$A_1$）和CP偶希格斯（$H_i$）。
• 计算 $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to b\bar{b}$、$W^+W^-$、$A_1H_i$ 及混合模式的湮灭截面和伽马射线谱。
• 利用 $p$-值评估每种湮灭通道的拟合优度，以衡量其统计显著性。
• 评估未来直接探测实验（特别是XENON-1T）在探测NMSSM中有利于GCE的参数点方面的前景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑所有当前实验约束的前提下，银心伽马射线过量能否在NMSSM中被一致地解释为暗物质湮灭的结果？
• RQ2 具体而言，$b\bar{b}$、$W^+W^-$、$A_1H_i$ 或混合模式等哪些DM湮灭通道最能重现观测到的GCE谱和形态？
• RQ3 前景和背景不确定性在NMSSM框架下如何影响GCE的解释？
• RQ4 在NMSSM中，最佳拟合湮灭通道的统计显著性（以 $p$-值衡量）是多少？
• RQ5 未来直接探测实验（如XENON-1T）在多大程度上能够检验NMSSM中可行的GCE解决方案？

主要发现

• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to A_1H_i$ 湮灭通道提供了对GCE的最佳解释，其 $p$-值为 0.55，表明拟合在统计上可接受。
• $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to b\bar{b}$ 通道也提供了可行的解释，与GCE谱和形态一致。
• 混合湮灭模式（如 $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to W^+W^-, A_1H_1$）也与数据一致，提供了合理的解释。
• $A_1H_i$ 通道更受青睐，因其能产生匹配GCE高能尾部的谱，同时仍符合实验约束。
• XENON-1T预计可探测NMSSM中几乎所有有利于GCE的参数点，使其成为检验此情景的强大探针。
• 该分析证实，NMSSM中的单态主导希格斯和中性子粒子可同时轻于100 GeV，从而允许多个湮灭通道共同贡献于GCE。