[論文レビュー] Dark Matter Generation and Split Supersymmetry

Jared Kaplan|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 38被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ダークマターが摂動的冷凍出（freeze-out）ではなく、モジュール粒子の非摂動的崩壊チェーンを通じて、軽い超対称粒子（LSP）または重力ソ粒子に生成されることを提案するスプリット超対称性モデルを提示する。このメカニズムにより、特にずれたグルーニョ崩壊を伴う、軽量でLHCで観測可能な超対称スケールが実現可能となり、過剰閉じ込め（overclosure）を回避し、axionの制約を緩和する。

ABSTRACT

We analyze a simple Split Supersymmetry scenario where fermion masses come from anomaly mediation, yielding m_s ~ 1000 TeV, m_{3/2} ~ 100 TeV, and m_f ~ 1 TeV. We consider non-thermal dark matter production in the presence of moduli, and we find that the decay chains of moduli to LSPs and moduli to gravitinos to LSPs generate dark matter more efficiently than perturbative freeze-out, allowing for a light, LHC visible spectrum. These decaying moduli can also weaken cosmological constraints on the axion decay constant. With squark masses of order 1000 TeV, LHC gluinos will decay millimeters from their primary vertices, resulting in a striking experimental signature, and the suppression of Flavor Changing Neutral Currents is almost sufficient to allow arbitrary mixing in squark mass matrices.

研究の動機と目的

• 異常媒光超対称性破れを伴う最小限のスプリット超対称性モデルにおける非摂動的ダークマター生成メカニズムの探求。
• モジュール崩壊チェーンが摂動的冷凍出よりも、正しい残存密度をより効率的に生成できるかの評価。
• 重いスカラーサイパーサイドパークを有するが、軽量でLHCでアクセス可能な超対称スケールが実現可能かどうかの妥当性の評価。
• 長時間崩壊するモジュールが存在する状況下でのaxionの崩壊定数に関する宇宙論的制約の検討。
• 特に、重いスクアーキューブの存在下で、グルーニョの崩壊に起因するずれた頂点（displaced vertices）を示す実験的シグネチャの同定。

提案手法

• ゲージノ質量が異常媒光によって決定され、m_{3/2} ~ 100 TeV および m_s ~ 1000 TeV を与えるスプリット超対称性モデルを分析。
• 非摂動的ダークマター生成を2つの崩壊チェーンを通じて検討：モジュール → LSP、およびモジュール → 重力ソ粒子 → LSP。
• モジュール質量の異なる領域（m_φ < 2m_{3/2} と m_φ > 2m_{3/2}）におけるこれらの崩壊チェーンの有効性を評価。
• ゴールドスティノ χ を非線形的に実現するための場の再定義を導入し、正規化を可能にするとともに、ゴールドスティノの相互作用を特定。
• 有効場理論を用いてゴールドスティノの結合を導出し、ゴールドスティノがシフト対称性を持ち、直接のヤコビ型結合を持たないことを示す。
• 対称性、複数のモジュール、D項破れなどのメカニズムを検討し、崩壊チェーンにおける重力ソ粒子の過剰生成を抑制。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スプリット超対称性において、モジュール粒子の非摂動的崩壊チェーンが、摂動的冷凍出よりも観測されたダークマターの残存密度をより効率的に生成できるか。
• RQ2 m_s ~ 1000 TeV および m_{3/2} ~ 100 TeV のモデルにおいて、モジュール崩壊を通じて生成される軽量LSPの宇宙論的およびコライダーの素粒子物理学的影響は何か。
• RQ3 長時間崩壊するモジュールが、この枠組みにおけるaxionの崩壊定数に関する制約にどのように影響を与えるか。
• RQ4 重いスクアーキューブの存在下で、グルーニョ崩壊に起因するずれた頂点を示すLHCの特徴的なシグネチャは何か。
• RQ5 モジュール崩壊による効率的なダークマター生成を維持しつつ、重力ソ粒子の過剰生成を回避できるか。

主な発見

• モジュール → LSP およびモジュール → 重力ソ粒子 → LSP の非摂動的ダークマター生成が、摂動的冷凍出を上回り、軽量でLHCで観測可能な超対称スケールの実現を可能にする。
• m_φ ≲ m_{3/2} の場合、モジュール → LSP 崩壊チェーンは、過剰閉じ込めを引き起こさずに、自然に正しい残存密度を生成する。
• 1000 TeV のスクアーキューブのおかげで、LHCにおけるずれたグルーニョ崩壊が予想され、ミリメートルスケールの崩壊頂点が観測される。
• フェルミオンのフレーバー変換中性荷電子（FCNC）の抑制は、重いスカラーサイパーサイドパークでさえも、任意のスクアーキューブ混合を許容するほど十分である。
• 長時間崩壊するモジュールは、エントロピーを注入することで、axionの崩壊定数に関する宇宙論的制約を緩和する。
• 重力ソ粒子を表すゴールドスティノ χ はシフト対称性を持ち、導関数型の相互作用のみを介して結合し、直接のヤコビ型結合は持たない。