[論文レビュー] Complementarity and Searches for Dark Matter in the pMSSM

M. Cahill-Rowley, Randel Cotta+6 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 26

ひとこと要約

この論文は、19パラメータの素性MSSM（pMSSM）におけるコライダー、直接的、間接的DM探索の補完的性質を評価し、14 TeV LHC、Fermi、CTA、IceCube、COUPP、XENON1Tの実験を統合することで、中性子星DMを有するモデルの97.4％を除外することを示している。特に、14 TeV LHCのJets+MET探索による高感度と、LHCの運動的領域を超える重い熱的残り滓LSPに対するCTAの独自の感度が顕著に強調されている。

ABSTRACT

The search for and identification of neutralino dark matter in supersymmetry requires a multi-pronged approach with important roles played by collider, direct and indirect dark matter detection experiments. In this report, we summarize the sensitivity of such searches at the 7, 8 (and eventually 14) TeV LHC, combined with those by Fermi, CTA, IceCube/DeepCore, COUPP and XENON1T, to such particles within the context of the 19-parameter p(henomenological)MSSM. This report provides an outline of the current status of our results and our expectations for future analyses.

研究の動機と目的

• 19パラメータのpMSSMを調査する上で、コライダー、直接的、間接的DM検出実験の補完的性質を評価すること。
• 7、8、14 TeV LHC探索、特にJets+METの感度が中性子星LSPを有するpMSSMモデルをどれだけ排除できるかを評価すること。
• 直接的（XENON1T、COUPP）および間接的（Fermi、CTA、IceCube/DeepCore）検出実験がLHCでは到達できないパラメータ空間の領域をどれだけカバーできるかを特定すること。
• 観測されたヒッグス粒子質量（126 GeV）、熱的残り滓密度、および低レベルの微調整と整合するpMSSMモデルの割合を定量化し、その検出可能性を評価すること。
• LHCのJets+MET探索が、直接LSP結合に依存しない非DMのシグネチャを通じて、重いLSPを有するモデルをどのように排除するか、その役割を同定すること。

提案手法

• 研究では、SOFTSUSYを用いて生成され、SuSpectで検証された、中性子星LSPを有する225,000個のpMSSMモデルのモンテカルロスキャンを実施。制約されたパラメータ範囲内で実施。
• モデルは、LHC、フラーバー、精密電弱、DMデータからの厳密な制約を受ける。これには、残り滓密度、微調整、直接的・間接的検出限界が含まれる。
• スパルトロンの崩壊パターンとヒッグス系の性質は、検出可能なシグネチャを各実験で特定するために、SUSY-HITの改変版を用いて計算。
• LSP質量対スピン不変（SI）断面積平面における、14 TeV LHC Jets+MET探索、CTA、Fermi、XENON1T、COUPP、IceCube/DeepCoreによる除外割合を比較。
• 結果の妥当性を検証するため、m_h = 126±3 GeV、Ω_χh² ≈ Ω_DM、微調整<1％を満たす約10,000個の「自然な」モデルのサブセットを用いる。
• パラメータ空間全体で除外割合を計算し、統計的不確実性はモデル数え上げと主要な平面におけるビニングにより扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 14 TeV LHCのJets+MET探索は、8 TeVデータの到達限界を超える重い中性子星LSPを有するpMSSMモデルをどれだけ排除できるか？
• RQ2 CTAとLHCの感度は、pMSSMパラメータ空間をどのように重複または補完するか？
• RQ3 すべての実験からの制約を統合した後、熱的残り滓密度と正しいヒッグス質量を持つpMSSMモデルのうち、どれだけの割合が生存可能か？
• RQ4 どのパラメータ空間領域で直接検出実験（例：XENON1T）がLHCよりも感度が高く、逆にLHCがより感度が高い領域はどこか？
• RQ5 14 TeV LHCデータの導入により、8 TeVデータと比較して全体の除外範囲がどの程度向上するか？

主な発見

• 14 TeV LHCのJets+MET探索により、中性子星LSPの到達限界が、約700 GeVから約1,400 GeVまで向上した。
• LHC、CTA、直接検出実験の統合的到達限界により、中性子星LSPを有するpMSSMモデルの97.4％が除外された。これは8 TeVデータでの63％から顕著に向上した。
• CTAは、色荷を持つスパルトロンが重すぎて生成できない場合でも、特にウィノおよびヒッグスィノLSPに対して、LHCの到達限界を超える質量領域でも感度を保つ。
• LHCは、主に色荷を持つスパルトロンを介したシグネチャを通じて、重いLSPを有するモデルを排除しており、直接LSP生成に依存していない。これは、LHCの排除能力がスペクトル全体の性質に依存していることを示唆する。
• LHCで検出されなかったモデルのうち、間接検出（例：CTA）による除外割合は、41％から49％に上昇した。これは、検出されなかったモデルの質量が高くなったことに起因する。
• すべての探索に耐え残り、熱的残り滓密度に一致するモデルは、(凝集)消失が可能なビノLSPを有するものに限定されており、DM組成に対する強い制約が示された。