银心伽马射线超出的超对称解释和在LHC二期上的探测

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2012年7月欧洲大型强子对撞机LHC的两个实验组ATLAS和CMS同时宣布发现了一个新粒子。后来的分析表明,这非常可能是标准模型(SM)预言的Higgs boson。如果它确实是SM Higgs boson,那么标准模型预言的所有粒子都已经被发现。但是标准模型并不是完美的。宇宙学观测表明宇宙中物质成分的约85%都是非重子性的又暗又冷的物质,即暗物质。而标准模型却不能为此提供合适的解释。  现在基本上有三类暗物质探测实验:直接探测、间接探测和粒子加速器。间接探测是指暗物质通过相互之间作用把自身的能量转化为其它粒子,包括伽马射线、中微子以及带电粒子。由于引力作用,大量的暗物质会聚集在星系中心区域。最近有研究组在分析了银河系中心附近的伽马射线辐射后发现,在天文物理背景之上存在超出,并且呈现出延展弥散的球对称分布。这个超出的峰值在能谱上处于几个GeV的位置,并且在很宽能谱范围上与暗物质湮灭的特征相符。之后Fermi实验组做的分析也初步支持这个结论。  在本文中,我们在超对称框架下讨论用暗物质湮灭来解释银心伽马射线超出(GCE)。我们基于次最小超对称NMSSM,在考虑了众多实验限制后,寻找能够同时解释暗物质残留丰度Ωh2和GCE的参数区域。我们的主要结论包括:  一对singlino成分为主的neutralino暗物质,质量在30~40 GeV之间,通过赝标量a1传播的s-channel湮灭到b(b),利用合适的共振可以得到所需要的湮灭截面,从而能够解释GCE。  当2mx/ma1偏离完全共振1.0比较远时,为了得到正确的Ωh2,早期宇宙热褪偶时需要有Z波色子在s-channel传播的湮灭贡献来补充。这要求higgsino质量参数μ不能太大,上限在350 GeV左右。  相关参数空间可以在暗物质直接探测实验的自旋相关(SD)散射中有明显效应。尽管当下LUX实验很难给出限制,但是未来的XENON-1T和LUX-ZEPLIN实验将有能力探测大部分参数区域。  可以通过pp→(x)±i(x)0j→2(x)01W±Z-→3l+EmissT产生的三轻子信号在14-TeVLHC上探测相关参数空间。大部分(全部)样本点可以在95%置信度上使用100(200) fb-1积分亮度的数据来排除。此外,部分样本点也可以在HL-LHC上使用3000 fb-1的数据来发现。
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