[论文解读] MeV-GeV $\gamma$-ray telescopes probing gravitino LSP with coexisting axino NLSP as dark matter in the $\mu u$SSM

G. A. Gomez-Vargas, Daniel E. López-Fogliani+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2019

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 84被引用 5

一句话总结

本文研究了在µνSSM中一种多组分暗物质情形，其中引力微子为最轻的超对称粒子（LSP），轴微子为次轻的超对称粒子（NLSP），两者均对暗物质有贡献。轴微子衰变为光子与中微子，产生可探测的单能γ射线线；而引力微子则衰变为轴子与轴微子。未来的MeV-GeV γ射线望远镜（如e-ASTROGAM）可探测到参数空间的显著区域，在特殊情况下甚至可探测到双线信号。

ABSTRACT

In $R$-parity violating supersymmetry, the gravitino as the lightest supersymmetric particle (LSP) is a good candidate for dark matter, with the interesting characteristic to be detectable through $\gamma$-ray telescopes. We extend this analysis considering an axino next-to-LSP (NLSP) as a coexisting dark matter particle contributing with a detectable signal in the $\gamma$-ray spectrum. The analysis is carried out in the framework of the $\mu u$SSM, which solves the $\mu$ problem reproducing simultaneously neutrino data only with the addition of right-handed neutrinos. We find that important regions of the parameter space can be tested by future MeV-GeV $\gamma$-ray telescopes through the line signal coming from the decay of the axino NLSP into photon-neutrino. In a special region, a double-line signal from axino NLSP and gravitino LSP is possible with both contributions detectable.

研究动机与目标

• 探索µνSSM中引力微子LSP与轴微子NLSP构成的多组分暗物质情景的宇宙学与γ射线特征。
• 评估轴微子NLSP衰变为光子-中微子时，通过单能γ射线线实现探测的可能性。
• 评估引力微子LSP与轴微子NLSP同时衰变时产生双线信号的潜力。
• 利用宇宙学观测（包括暗辐射与遗迹密度）约束该模型，并预测未来γ射线任务的探测灵敏度。
• 比较当前与未来γ射线望远镜（特别是e-ASTROGAM）对预测线信号的探测灵敏度。

提出的方法

• 本研究采用µνSSM框架，该框架解决了µ问题，并通过右手中微子解释了中微子质量。
• 利用R-奇偶性破坏相互作用，计算轴微子NLSP衰变为光子-中微子的宽度，产生能量为Eγ = m˜a/2的单能γ射线线。
• 在R-奇偶性守恒相互作用下，计算引力微子LSP衰变为轴子-轴微子的宽度，该过程对总暗物质遗迹密度有贡献。
• 通过D因子（用于衰变）与J因子（用于湮灭）的形式，结合银河系中心的晕密度剖面（如NFW、Moore、Einasto等），推导出两种衰变的γ射线流量。
• 基于e-ASTROGAM的预期性能，假设观测时间为1年，并在银河系中心附近选取10°×10°的源区（ROI），计算灵敏度预测。
• 通过Fermi-LAT数据与宇宙学约束（包括暗辐射与遗迹密度）推导出约束条件，以界定可行的参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 轴微子NLSP衰变为光子与中微子是否能在MeV-GeV望远镜中产生可探测的单能γ射线线？
• RQ2 在R-奇偶性破坏的µνSSM中，轴微子NLSP可对总暗物质遗迹密度贡献多大比例？
• RQ3 在参数空间的哪些区域，引力微子LSP与轴微子NLSP的衰变可同时产生可分辨的γ射线线信号？
• RQ4 未来MeV-GeV γ射线望远镜（如e-ASTROGAM）对本多组分暗物质情景中预测的线信号具有多高的探测灵敏度？
• RQ5 从暗辐射与遗迹密度等宇宙学约束出发，对引力微子-轴微子多组分暗物质模型的可行参数空间有何限制？

主要发现

• 轴微子NLSP可通过R-奇偶性破坏相互作用衰变为光子与中微子，产生能量为Eγ = m˜a/2的单能线，可在MeV-GeV γ射线望远镜中探测到。
• 引力微子LSP衰变为轴子与轴微子，对总遗迹密度有贡献，当两种衰变均可观测时，可产生双线γ射线信号。
• e-ASTROGAM可探测到显著的参数空间区域，尤其在轴微子质量介于10 MeV至1 GeV之间时，其对衰变宽度的灵敏度极限可达约10^(-30) s⁻¹（当m˜a ≈ 100 MeV时）。
• 在参数空间的特殊区域，轴微子与引力微子衰变可同时产生双线信号，且e-ASTROGAM可分辨这两条线。
• 在银河系中心10°×10°的ROI中，NFW剖面对应的D因子为11.8，J因子为174，用于计算γ射线流量与灵敏度极限。
• 研究表明，采用更优化的ROI（如60° < |b| < 90°）可使信背比与灵敏度提升约8.4倍，相较于银河系中心ROI。