[論文レビュー] CoGeNT, DAMA, and Neutralino Dark Matter in the Next-To-Minimal Supersymmetric Standard Model

John F. Gunion, ~Belikov, Alexander V.+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、次に最小の超対称標準模型（NMSSM）が、2–12 GeVの軽い中性ノン（neutralino）と大きなスピン不変散乱断面積を備えた場合に、CoGeNTおよびDAMAのダークマター信号を説明できるかを調査する。LEP、BaBar、Tevatronの制約を満たしても、標準的な仮定のもとでは必要な断面積に到達するには10–20倍の不足がある。これは、ヌクレオンのs夸克含量の増加や局所ダークマター密度の上昇によってわずかに改善可能であるが、限界的である。

ABSTRACT

We assess the extent to which the NMSSM can allow for light dark matter in the $2\gev\lsim \mcnone\lsim 12\gev$ mass range with correct relic density and large spin-independent direct-detection cross section, $\sigsi$, in the range suggested by \cogent\ and DAMA. For standard assumptions regarding nucleon $s$-quark content and cosmological relic density, $ρ$, we find that the NMSSM falls short by a factor of about 10 to 15 (3 to 5) without (with) significant violation of the current $(g-2)_μ$ constraints.

研究の動機と目的

• NMSSMが2–12 GeVの軽い中性ノンダークマター候補を生成し、CoGeNTおよびDAMAの観測と整合する大きなスピン不変散乱断面積（σSI）を有するかどうかを評価すること。
• NMSSMが同時に宇宙論的リlic密度制約、LEPおよびBaBarによるB物理学の制約、および(g-2)μの不一致を満たすことができるかどうかを特定すること。
• NMSSMがコライダーまたはフラバー物理学の制約に違反することなく、特にTevatronによるヒッグスおよびトップ崩壊のデータを踏まえて、必要なσSIに到達できるかどうかを評価すること。
• ヌクレオン内のs夸克含量の増加または局所ダークマター密度の上昇が、必要なσSIを低減する影響を検討すること。
• より一般的なシングレット拡張MSSMモデルと比較し、同じ制約のもとでより大きなσSIが可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 理論的制約（LEP、BaBar、Tevatron）と現象論的制約（リlic密度、(g-2)μ）の組み合わせを用いてNMSSMのパラメータスキャンを実施した。
• 中性ノンとヌクレオン間のヒッグス交換（特に最小のCP不変ヒッグスh₁）を伴うファインマン図を用い、有効結合h₁χ̃₁χ̃₁を介してσSIを計算した。
• micrOMEGAsを用いたリlic密度計算により、予測されるダークマター密度が観測されたΩCDM ≈ 0.3 GeV/cm³と一致することを保証した。
• ミュオンの異常磁気モーメントを1ループの寄与を用いて計算し、(g-2)μの不一致を評価した。
• b→sγおよびBs→μ⁺μ⁻崩壊の制約を、専用のフラバー物理学の制約とBaBarによるレアB崩壊のデータを用いて統合した。
• ヒッグスセクターおよび混合角の制約を受けるため、t→h⁺bおよびb̄b+ヒッグス生成に関するTevatronデータの影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NMSSMは、2–12 GeVの質量範囲内で、CoGeNTおよびDAMAの信号を説明するのに十分なスピン不変中性ノン-ヌクレオン散乱断面積σSIを生成できるか？
• RQ2 LEP、BaBar、Tevatronの制約が、軽い中性ノンダークマターのためのNMSSMにおける実現可能なσSIにどの程度制限を加えるか？
• RQ3 μeff > 0およびμeff < 0の両ケースにおいて、(g-2)μの不一致は、大きなσSIを持つNMSSMのシナリオの妥当性にどのように影響するか？
• RQ4 ヌクレオン内のs夸克含量の増加または局所ダークマター密度の上昇により、必要なσSIをNMSSMで達成可能なレベルにまで低減できるか？
• RQ5 より一般的なシングレット拡張モデルと比較して、結果はどうなるか？追加の超対称性の生成項やソフト破れ項が制約を緩和する役割を果たすか？

主な発見

• 標準的なヌクレオンのs夸克含量および宇宙論的リlic密度の仮定のもとでは、NMSSMは2–12 GeVの軽い中性ノンダークマター（σSI ≈ 1.4–3.5×10⁻⁴ pb）に対して必要なスピン不変断面積に到達できない。
• μeff > 0の場合、Tevatronの制約を適用した後、最大で約0.14×10⁻⁴ pbにまでσSIが制限され、必要な値から10–20倍の不足がある。
• μeff < 0の場合、σSIは最大0.6×10⁻⁴ pbに達するが、これは必要な範囲の3–5倍以内に収まるが、これらのシナリオは実験と強く不一致を示すミュオン(g-2)μ値を予測する。
• s夸克含量を50%増加させ、局所ダークマター密度をρ ≈ 0.4–0.485 GeV/cm³に上昇させても、必要なσSIはNMSSMで達成可能な最大値の少なくとも5倍以上大きい。
• Tevatronによるb̄b+ヒッグスおよびt→h⁺b崩壊の制約は非常に重要であり、大きなσSIを実現可能なパラメータ空間を顕著に制限する。
• 結果は、NMSSMの拡張（追加の超対称性生成項やソフト破れ項を含む）が、すべての制約を満たしつつ必要なσSIに到達できる唯一の方法であると示唆している（同伴論文：Belikov:2010yi）。