[论文解读] Sneutrino Dark Matter in the BLSSM

Luigi Delle Rose, Shaaban Khalil+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了B-L超对称标准模型（BLSSM）中作为自旋-0暗物质（DM）候选者的右手中微子（sneutrino），表明其湮灭为W⁺W⁻对可产生费米LAT可探测的高能伽马射线谱。研究发现，尽管直接探测可能性较低，但大型强子对撞机（LHC）可通过Run 2和Run 3数据中的多轻子信号探测右手中微子DM，而间接探测则为区分标量DM与费米子DM候选者提供了有希望的路径。

ABSTRACT

In the framework of the $(B-L)$ Supersymmetric Standard Model (BLSSM), we assess the ability of ground and space based experiments to establish the nature of its prevalent Dark Matter (DM) candidate, the sneutrino, which could either be CP-even or -odd. Firstly, by benchmarking this theory construct against the results obtained by the Planck spacecraft, we extract the portions of the BLSSM parameter space compliant with relic density data. Secondly, we show that, based on current sensitivities of the Fermi Large Area Telescope (FermiLAT) and their future projections, the study of high-energy $γ$-ray spectra will eventually enable us to extract evidence of this DM candidate through its annihilations into $W^+W^-$ pairs (in turn emitting photons), in the form of both an integrated flux and a differential energy spectrum which cannot be reconciled with the assumption of DM being fermionic (like, e.g., a neutralino), although it should not be possible to distinguish between the scalar and pseudoscalar hypotheses. Thirdly, we show that, while underground direct detection experiments will have little scope in testing sneutrino DM, the Large Hadron Collider (LHC) may be able to do so in a variety of multi-lepton signatures, with and without accompanying jets (plus missing transverse energy), following data collection during Run 2 and 3.

研究动机与目标

• 评估右手中微子作为B-L超对称标准模型（BLSSM）中暗物质候选者的可行性，尤其在普朗克原初丰度约束下的表现。
• 评估间接探测实验（特别是费米LAT）通过伽马射线谱区分右手中微子DM与费米子DM候选者（如中性子）的潜力。
• 探索大型强子对撞机（LHC）在Run 2和Run 3数据中通过多轻子及喷注+缺失横向动量信号探测右手中微子DM的探测能力。
• 确定尽管CP-奇与CP-偶右手中微子DM的总通量相似，是否可通过微分伽马射线谱区分其CP性质。
• 对比BLSSM中右手中微子DM与MSSM的唯象学特征，突出其在间接与直接探测中的独特前景。

提出的方法

• 将BLSSM参数空间与普朗克2015年原初丰度测量结果进行基准测试，以识别右手中微子轻希格斯粒子（LSP）满足观测到的暗物质丰度的区域。
• 模拟右手中微子主要湮灭通道（W⁺W⁻对）并计算产生的高能伽马射线谱，包括总通量与微分能量分布。
• 将右手中微子DM预测的微分伽马射线谱与费米子中性子DM的预期谱进行比较，识别能量依赖性上的可区分特征。
• 评估费米LAT对预测伽马射线信号的灵敏度，并投影未来15年数据采集的探测潜力。
• 分析右手中微子DM产生过程在LHC中的信号特征，重点关注多轻子末态（含与不含喷注）及缺失横向动量，利用涉及重中微子与带电/中性粒子的衰变链。
• 评估直接探测实验的局限性，由于潜在媒介（Z′或重希格斯）与核子的弱耦合，该通道难以实现显著灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 BLSSM中的右手中微子能否作为满足普朗克观测原初丰度的可行暗物质候选者？
• RQ2 费米LAT能否通过微分伽马射线谱的形状区分（伪）标量右手中微子DM与费米子中性子DM？
• RQ3 在Run 2和Run 3数据中，通过多轻子及喷注+缺失横向动量末态探测右手中微子DM的前景如何？
• RQ4 在多大程度上可利用伽马射线数据区分右手中微子DM的CP-偶或CP-奇性质？
• RQ5 为何BLSSM中W⁺W⁻湮灭通道比MSSM中更易被费米LAT探测到？这对暗物质唯象学有何启示？

主要发现

• 在BLSSM中，右手中微子LSP可在比MSSM中中性子更广的参数空间范围内满足普朗克观测到的暗物质原初丰度。
• 右手中微子主要湮灭通道（W⁺W⁻对）产生具有特征性的微分伽马射线谱，无法被费米子DM候选者（如中性子）重现。
• 费米LAT目前尚未达到对预测右手中微子DM信号的探测灵敏度，但未来约15年的数据积累将使该信号可被探测。
• 尽管CP-奇右手中微子DM的总伽马射线通量显著高于CP-偶态，但其微分谱过于相似，无法仅通过费米LAT区分两者。
• 由于涉及重中微子与带电/中性粒子的衰变链，LHC在Run 2和Run 3数据中通过多轻子末态（含与不含喷注）探测右手中微子DM具有强大潜力。
• 由于Z′与重希格斯媒介子与核子的耦合较弱，直接探测实验难以探测右手中微子DM，该通道的显著灵敏度可被排除。