[论文解读] Sneutrino dark matter in light of PAMELA

Rouzbeh Allahverdi|ArXiv.org|Sep 30, 2009

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文提出在MSSM的U(1)_{B-L}扩展模型中，右手中微子 sneutrino 作为热暗物质候选者，通过增强的τ或μ子末态湮灭过程解释PAMELA正电子过剩。在右手中微子质量为1–2 TeV且由轻希格斯样标量介导的Sommerfeld增强湮灭机制下，该模型与PAMELA数据吻合，同时与Fermi-LAT结果一致，并预测直接探测截面在即将开展的实验探测范围内。

ABSTRACT

In the U(1)_{B-L} extension of the minimal supersymmetric standard model the right-handed sneutrino is a natural candidate for thermal dark matter. Sneutrino annihilation at the present time can be considerably enhanced due to the exchange of the lightest field in the Higgs sector that breaks U(1)_{B-L}. The annihilation mainly produces taus (or muons) by the virtue of B-L charge assignments. A sneutrino mass of 1-2 TeV provides a good fit to the PAMELA and is compatible with the latest results from the FERMI experiment. In addition, the sneutrino-nucleon elastic scattering cross section is within the reach of the upcoming and future direct detection experiments.

研究动机与目标

• 无需引入大的天体物理增强因子来解释PAMELA正电子过剩。
• 在规范超对称模型中识别一个自然增强进入轻子末态的可行热暗物质候选者。
• 确保与反质子通量及Fermi-LAT对高能电子-正电子谱的观测结果一致。
• 预测直接探测截面在即将开展实验的探测灵敏度范围内。
• 探讨最轻的希格斯样标量在通过Sommerfeld增强机制介导右手中微子湮灭中的作用。

提出的方法

• 在MSSM中引入一个规范U(1)_{B-L}对称性，将右手中微子作为暗物质候选者。
• 引入两个新的希格斯场和一个轻标量粒子φ，通过D项相互作用介导右手中微子湮灭。
• 利用Sommerfeld增强机制，由于轻标量φ的交换产生吸引力势，从而在低速下增强湮灭截面。
• 使用偏好轻子末态（τ⁺τ⁻, μ⁺μ⁻）的B-L电荷分配，计算湮灭截面和末态分支比。
• 使用DarkSUSY-5.0.2进行数值模拟，采用NFW暗物质晕和MED传播参数，预测正电子和反质子通量。
• 通过t通道Z′交换计算自旋无关的右手中微子-核子散射截面，以评估直接探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在U(1)_{B-L}扩展的MSSM中，右手中微子能否在不引入大天体物理增强因子的情况下解释PAMELA正电子过剩？
• RQ2 为同时拟合PAMELA正电子数据并避免反质子通量过剩，所需的右手中微子质量和湮灭末态为何？
• RQ3 由轻标量φ引起的Sommerfeld增强如何影响右手中微子湮灭截面及其与Fermi-LAT观测结果的兼容性？
• RQ4 右手中微子-核子散射的预测直接探测截面是多少？是否在即将开展实验的探测范围内？
• RQ5 该模型能否与观测到的暗物质遗迹密度以及Z′和希格斯玻色子质量的实验约束保持一致？

主要发现

• 质量为1.5 TeV的右手中微子通过τ⁺τ⁻末态湮灭，对PAMELA正电子数据拟合良好，能量高于10 GeV时的卡方值为2.9。
• 对于相同质量，μ⁺μ⁻末态的拟合稍差（χ² = 5.5），但通过10³倍增强因子后仍可接受。
• 该模型与Fermi-LAT对e⁺+e⁻谱的观测结果一致，高能区未见显著过剩。
• 即使在φ质量高达约15 GeV时，反质子通量仍处于观测限制内。
• 右手中微子-核子自旋无关散射截面范围为10⁻¹¹–10⁻⁹ pb，处于即将开展的直接探测实验的探测灵敏度范围内。
• 由于主导的轻子末态，该模型预测在IceCube中微子望远镜可探测到由暗物质湮灭产生的可探测中微子信号。