[论文解读] Prospects for higgsino-singlino dark matter detection at IceCube and PINGU

Rikard Enberg, Shoaib Munir+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 110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）中的希格斯ino-单重态暗物质，表明在质量区域——低于10 GeV、60–100 GeV以及500–1000 GeV——中，单重态主导的中性子可以实现正确的遗迹密度，而这些区域中MSSM中性子由于LHC约束而通常无法实现。IceCube和PINGU被发现能够探测此类状态，PINGU对10 GeV暗物质敏感，且在一年数据内即可排除部分点位。

ABSTRACT

We study neutralino dark matter (DM) with large singlino fractions in the next-to-minimal supersymmetric Standard Model (NMSSM). We perform a detailed analysis of the parameter space regions of the model that give rise to such singlino-dominated neutralinos while satisfying the constraints from Higgs boson searches at the Large Electron Positron (LEP) collider and the Large Hadron Collider (LHC), as well as from b-physics experiments. We find that this DM can yield a thermal relic density consistent with the Planck measurement in mass regions where the lightest neutralino of the minimal supersymmetric Standard Model (MSSM) generally cannot. This is particularly true for lighter DM masses, either less than 10 GeV or between 60-100 GeV, and for heavier DM masses, between 500-1000 GeV. We then analyse the prospects for indirect detection of such DM at the IceCube neutrino telescope, assuming the complete 86-string configuration including DeepCore. We also consider the added sensitivity to low-mass DM with the proposed PINGU extension. We find that IceCube is sensitive to some regions of the NMSSM parameter space containing singlino-dominated DM and that a subset of such model points are already ruled out by the IceCube one-year data. IceCube will also be sensitive to some parameter space regions that will not be probed by the upcoming ton-scale direct detection experiments. Moreover, we find that PINGU will be sensitive to DM in the 10 GeV range.

研究动机与目标

• 识别NMSSM中轻量级中性子具有显著单重态分量且满足宇宙学与对撞机约束的可行参数空间。
• 评估通过太阳中性子湮灭产生的中微子探测此类单重态主导暗物质的间接探测潜力。
• 评估IceCube、DeepCore以及拟议的PINGU探测器对这些暗物质候选者的灵敏度。
• 展示中微子望远镜与吨级直接探测实验（如XENON1T）在探测暗物质参数空间方面的互补性。

提出的方法

• 在LEP、LHC希格斯玻色子搜索、b物理实验以及Planck遗迹密度测量的约束下，对NMSSM参数空间进行详细扫描。
• 使用IceCube NeutrinoFlux代码和大气背景模型，计算太阳中中性子湮灭产生的中微子通量。
• 通过逐点信号与背景模拟，评估IceCube、DeepCore和PINGU探测器中信号的统计显著性。
• 从一年数据显著性外推，估算PINGU和DeepCore达到5σ显著性所需的日历年数。
• 比较各探测器之间的探测灵敏度与XENON1T的对比，识别仅可通过中微子望远镜探测的参数空间区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NMSSM参数空间的哪些区域，可以实现单重态主导的轻量级中性子，使其重现观测到的暗物质遗迹密度，同时满足LHC和LEP的约束？
• RQ2 IceCube中微子望远镜对通过太阳中微子探测希格斯ino-单重态暗物质的间接探测有多敏感？
• RQ3 PINGU低能扩展在探测约10 GeV范围轻量暗物质方面具有何种潜力？
• RQ4 在哪些参数空间区域，IceCube/DeepCore和PINGU与吨级直接探测实验（如XENON1T）形成互补覆盖？

主要发现

• 在NMSSM中，单重态主导的中性子可在质量区域——低于10 GeV、60–100 GeV以及500–1000 GeV——实现正确的热遗迹密度，而这些区域中MSSM中性子通常因LHC约束而无法实现。
• 部分具有单重态主导暗物质的模型点已通过一年IceCube数据被排除，表明当前对这类模型具有探测灵敏度。
• DeepCore可探测XENON1T无法触及的参数空间点，尤其在100 GeV质量范围内，且随着多年数据积累，灵敏度持续提升。
• PINGU预计可对约10 GeV质量的暗物质实现探测灵敏度，但部分点位可能需要数年运行时间才能达到2σ显著性。
• DeepCore与PINGU的组合可为XENON1T提供互补覆盖，探测到直接探测实验无法触及的低质量暗物质模型点。
• 对探测希格斯ino-单重态暗物质而言，PINGU在低质量点位上达到最佳显著性，而DeepCore在较高质量点位上表现更优，凸显了低能中微子探测的重要性。