[論文レビュー] Dark Matter Detection Rates In SUGRA Models

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta|ArXiv.org|Dec 11, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、中性子体-陽子散乱による直接検出を焦点に、R-奇性を保存するSUGRAモデルにおけるダークマター検出率を調査している。最小限のmSUGRAモデルではDAMAデータを説明できないことが判明したが、ヒッグスおよび第3世代のソフト対称性破れ項を強化した非一様SUGRAモデルでは、tanβ > 15およびmχ̃₀₁ > 80 GeVの条件下でDAMAで観測された範囲の断面積を達成可能であり、もしミュオンg-2の異常が確認されれば、将来の検出器が全妥当パラメータ空間を探索可能となる。

ABSTRACT

Direct detection of Milky Way wimps are discussed within the framework of R-parity conserving SUGRA models with grand unification at M_G. Two questions are discussed: what SUGRA models can account for the DAMA data if this data is confirmed, and is the full SUGRA parameter space accessible to future planned detectors. Experimental constraints of the Higgs mass bound, the b-> sγbound, relic density constraints (including all co-annihilation channels), etc. are imposed. In addition, the effect of the possible muon g - 2 anomaly are examined. For mSUGRA, we find that the Higgs mass and b o sγconstraint puts a lower bound m_{1/2} > (300 - 400) GeV (i.e. m_{ ildeχ^0_1} > (120 - 160) GeV) for anβ< 50, and thus the largest theoretical neutralino-proton cross sections still lie significantly below the DAMA 3σlower bound. (Predictions for anβ> 50 become sensitive to the precise value of m_t and m_b.) If in addition one imposes the muon anomaly constraint, μmust be positive and an upper bound of m_{1/2}< 850 GeV for anβ< 50 is obtained. More generally, if μ>0 and m_{1/2} < 1 TeV, the cross sections are >~ 10^{-10} pb, and hence this parameter space would be mostly accessible to planned high sensitivity detectors. For non-minimal SUGRA models, the cross sections can be considerably larger, and a simple SU(5) model with non-universal soft breaking in the Higgs and third generation is seen to give cross sections in the DAMA range for anβ>~ 15 with m_{ ildeχ^0_1} > 80 GeV, and minimum cross sections >~10^{-10} pb for μ> 0.

研究の動機と目的

• R-奇性を保存するSUGRAモデルが、ダークマター検出と解釈されるDAMAの年間モodulation信号を説明できるかどうかを特定すること。
• 将来の直接検出実験がSUGRAモデルの全妥当パラメータ空間を探索できるかどうかを評価すること。
• ヒッグス粒子質量、b→sγ、リリック密度、およびミュオンg-2の異常といった実験的制約が、中性ノイドの検出断面積に与える影響を評価すること。
• 最小限のmSUGRAモデルと非一様なソフト対称性破れ項を有する非最小SUGRAモデルとの予測を比較すること。

提案手法

• 研究は、MG ≈ 2×10¹⁶ GeVにおける統一理論を仮定し、重力媒介による超対称性破れを用いたR-奇性を保存するSUGRAモデルを採用した。
• 軟対称性破れパラメータをMGから弱エネルギー スケールまで、ループ補正および非一様なδiパラメータを含めた、レノルマライゼーション群方程式（RGEs）を用いて発展させた。
• 中性ノイド-陽子スピン非依存断面積の理論的予測を計算し、共凝縮チャンネルおよびリリック密度制約を組み込んだ。
• 実験的制約（LEPによるヒッグス粒子質量下限：mh > 114 GeV、b→sγの分岐比、リリック密度）が、妥当なパラメータ空間を制限した。
• ミュオンg-2の異常を制約として取り入れ、μ > 0であることと、m₁/₂およびtanβに対する制限を課した。
• ヒッグスおよび第3世代系における非一様なソフト項を有する最小限のSU(5) GUTモデルを用い、断面積の増大を探索した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 もしDAMAの年間モodulation信号が確認された場合、R-奇性を保存するmSUGRAモデルがそれを説明できるか？
• RQ2 SUGRAモデルにおける理論的に予測される中性ノイド-陽子断面積の最小値は何か？そして、将来的な検出器がそれらを探索可能か？
• RQ3 ヒッグス粒子質量、b→sγ、リリック密度、およびミュオンg-2の異常といった制約が、SUGRAモデルにおける妥当パラメータ空間をどのように形作るか？
• RQ4 非最小SUGRAモデルが非一様なソフト対称性破れ項を有することで、DAMAで観測された範囲の断面積を生成できるか？
• RQ5 ミュオンg-2の異常は、SUGRAパラメータ空間をさらに制限し、LSPの検出可能性を高めるか？

主な発見

• mSUGRAでは、ヒッグス粒子質量およびb→sγの制約により、m₁/₂ > 300–400 GeVの下限が課され、その結果mχ̃₀₁ > 120–160 GeVとなり、tanβ < 50の条件下で中性ノイド-陽子断面積はDAMAの3σ下限よりも著しく小さくなる。
• tanβ > 50の場合は、mtおよびmbの正確な値に敏感になるが、標準的なmSUGRAフレームワーク下では断面積はDAMAの下限を下回り続ける。
• もしミュオンg-2の異常が確認されれば、μは正でなければならないし、tanβ < 50の条件下でm₁/₂ < 850 GeVでなければならない。その結果、妥当パラメータ空間が縮小し、最小断面積は約10⁻¹⁰ pbに増加する。
• μ > 0およびm₁/₂ ≤ 1 TeVのmSUGRA条件下では、断面積は約10⁻¹⁰ pbを超えるため、計画中の高感度検出器がその範囲をカバー可能となる。
• ヒッグスおよび第3世代系における非一様なソフト対称性破れ項を有する非最小SUGRAモデルでは、tanβ > 15およびmχ̃₀₁ > 80 GeVの条件下で断面積がDAMAの範囲に達する。
• これらの非最小モデルは、δiパラメータによってmAを低下させ、A-チャンネル凝縮を可能にし、低tanβでもリリック密度制約を満たすことができる。