[論文レビュー] Blind spots for neutralinos in NMSSM with light singlet scalar

Marcin Badziak, Marek Olechowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、軽いシングレットスカラーとヒッグスノーマル・シングレット型最軽い超対称粒子（LSP）を有する次に最小の超対称標準模型（NMSSM）におけるスピン不変直接検出の盲点となる条件を解析的に導出する。この盲点—LSP-核子散乱断面積が抑制された領域—は、特にシングレットスカラー質量がLEPが支持する範囲（85–100 GeV）にある場合、混合効果の増幅とシングレットノー型支配の影響により、MSSMと比較してNMSSMでより容易に達成可能である。また、非可視ヒッグス崩壊およびLUX/XENON1Tの制約が、妥当なパラメータ空間を形作っている。

ABSTRACT

A substantial contribution to the SM-like Higgs mass may come from the mixing with the lightest singlet-dominated scalar in NMSSM for moderate or large values of $ anβ$ [1]. The LSP neutralino in this model may also contain the singlet component - singlino. In this work we analyze the direct detection cross section for a Higgsino-singlino LSP with the emphasis on possible direct detection blind spots in the parameter space. Correlations between the LSP properties and the effects in the Higgs sector coming from the mixing are also discussed.

研究の動機と目的

• 軽いシングレットスカラーとヒッグスノーマル・シングレット型LSPを有するNMSSMにおけるスピン不変（SI）直接検出の盲点を特定・特徴付けること。
• ヒッグス-シングレット混合がLSP-核子散乱断面積に与える影響を調査し、SI断面積の抑制を可能にする仕組みを解明すること。
• LSP組成（シングレットノー支配）、ヒッグス系の混合、およびLEP、LUX、XENON1T、非可視ヒッグス崩壊といった実験的制約との相乗的関係を検討すること。
• 一般のNMSSMと$μ^\prime=0$極限（例：$η_8^R$-対称モデル）との間で盲点の実現可能性を比較し、パラメータ空間の制約における相違点を強調すること。

提案手法

• NMSSMにおける中性子の混合行列要素の正確な樹形解析的表現を導出し、LSPの組成を$\lambda$, $\mu$, $\tan\beta$, $\kappa$ などのモデルパラメータと関連付ける。
• LSP-核子結合におけるヒッグスおよびシングレット交換の寄与のキャンセルから生じるスピン不変散乱断面積$\sigma_{\rm SI}$の盲点条件（式18）を導入する。
• LSPのヒッグスノーおよびシングレットノー成分を$m_{\chi}/\mu$, $\lambda v/\mu$, $\beta$ を用いて、行列要素$N_{j3}/N_{j5}$および$N_{j4}/N_{j5}$（式6）で表現する。
• 異なる領域における解析的近似を実施：$|m_{\chi}/\mu|$が小さい（$\sin 2\beta$に近い）場合および$|m_{\chi}/\mu| \approx 1$に近い場合の盲点条件（式22および23）を特定する。
• LEP（$m_s$に関する制約）、LUXおよびXENON1T（$\sigma_{\rm SI}$に関する制約）、非可視ヒッグス崩壊（$m_{\chi} < m_h/2$に関する制約）を適用し、妥当なパラメータ空間を評価する。
• 数値スキャンを$(m_{\chi}/\mu, \sigma^{(n)}_{\rm SD})$平面（図3）で実施し、実験的限界以下の領域を可視化し、$c_s < 1$および$c_s > 1$のケースを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NMSSMにおけるヒッグスノーマル・シングレット型LSPのスピン不変直接検出断面積が消滅または強く抑制される条件は何か？
• RQ2 標準模型に似たヒッグスと軽いシングレット支配のスカラーとの混合が、LSP-核子散乱断面積および盲点の存在に与える影響は何か？
• RQ3 シングレットスカラー質量（$m_s$）は、特に85–100 GeVのLEPが支持する範囲において、直接検出の盲点を実現可能にするか、あるいは制約を加える役割を果たすか？
• RQ4 非可視ヒッグス崩壊および$\mu^\prime=0$対称性の制約は、NMSSMのパラメータ空間における盲点領域の実現可能性にどのような影響を及えるか？
• RQ5 NMSSMにおける盲点はMSSMと比較してより容易に実現可能か？その背後にあるメカニズムの主な相違点は何か？

主な発見

• 軽いシングレットスカラーを有するNMSSMでは、LSP-核子散乱断面積へのシングレットスカラーの追加寄与のおかげで、MSSMと比較して盲点がより容易に達成可能である。
• $c_s < 1$（ヒッグスに小さなシングレット成分）の場合、盲点は$m_{\chi}/\mu \approx \sin 2\beta$のとき発生し、これはLEPの制約を満たすために$m_s \approx 85\text{--}100$ GeVである必要がある。
• $c_s > 1$の場合、盲点は$m_{\chi}/\mu \approx 1$付近に現れるが、$m_{\chi}\mu$の符号が負で、かつ$|\lambda v/\mu|$が適切に調整されている場合に限る。
• XENON100実験は、$|\mu|$が小さい領域を除外しており、それらでは盲点が実現可能であったはずであるため、今後の検証においてスピン密度散乱の制約が重要であることが示された。
• $\mu^\prime=0$の場合（例：$\mathbb{Z}_8^R$-対称モデル）、シングレットノー支配領域はより制約が厳しくなり、$m_{\chi} < m_h/2$を避けるためには$|\mu| \gtrsim 500 \times (\tan\beta/10)$ GeVが必要となる。
• 図3の青色領域において$\mu = 150$ GeVの場合、$\sim 10^{-46}$ cm²のニュートリノ背景限界が達成可能であり、将来的な直接検出実験に向けた妥当なパラメータ空間が存在することが示された。