[論文レビュー] Dark matter relic density from observations of supersymmetry at the ILC

Suvi-Leena Lehtinen, Jenny List+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、国際線形衝突型加速器（ILC）が、超対称性（SUSY）粒子の測定から観測された暗黒物質の残存密度を予測できるかを調査しており、特にストー共崩壊のシナリオに注目している。ILCにおける最軽い中性ノイザーおよびストーの質量と混合の高精度測定により、LSPの主要な混合行列要素（N11）の不確実性が1%未満であることが、プランクの精度（±0.22%）に達する残存密度予測に不可欠であることが示された。一方、クォークやグルーギノの測定は、正確な予測には不要である。

ABSTRACT

Supersymmetry can explain the observed dark matter relic density with a neutralino dark matter particle and a coannihilating, almost mass-degenerate sparticle. If this were the case in nature, a linear electron positron collider like the ILC could discover the two sparticles if their masses are in the kinematic reach of the collider. This contribution discusses which observations are necessary at the ILC for predicting the dark matter relic density correctly and for confirming that the observed lightest neutralino is the only kind of dark matter. We take the case of stau coannihilation as an example.

研究の動機と目的

• プランクの精度と同等の精度で観測された暗黒物質の残存密度を予測するために、ILCでどの測定が必要かを特定すること。
• スパルティクルの性質を測定することで、最軽い中性ノイザーが唯一の暗黒物質候補であるかどうかを評価すること。
• 観測されないSUSY粒子が残存密度予測の正確性に与える影響を評価すること。
• 残存密度の不確実性を最も制限する主要なパラメータの測定精度を同定すること。

提案手法

• 12パラメータを有するpMSSMにおけるSTC8ベンチマーク点を用いて、ストー共崩壊のシナリオをモデル化する。
• Les Houchesフォーマットを介して、SUSYパラメータまたはILCで観測可能な観測量から残存密度を計算するために、micrOMEGAs 2.4.5を適用する。
• 500 GeVおよび1 TeVの衝突エネルギー、500 fb⁻¹の統計、偏光したビーム（P(e⁻,e⁺) = 80%, -30%）を想定して、ILCの測定をシミュレートする。
• 実験的不確実性内での測定パラメータ（質量、混合）と、広い範囲にわたる観測されないパラメータを一様に変動させ、それらが残存密度予測に与える影響を評価する。
• 特にN11に注目し、LSPの混合行列要素の不確実性が残存密度予測に与える感度を分析する。
• 固定されたか自由な観測されない粒子、および1 TeVデータの有無を考慮した異なる仮定のもとで、予測不確実性を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCは、プランクの結果（ΩCDM = 0.1197 ± 0.0022）と同等の精度で暗黒物質の残存密度を測定できるか？
• RQ2 質量、混合、あるいは両方の測定のうち、正確な残存密度予測に最も重要であるのはどれか？
• RQ3 クォークやグルーギノ、重いヒッグス粒子などの観測されないSUSY粒子が、残存密度予測の信頼性にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 LSPの混合行列要素N11の測定精度が、全体の残存密度予測不確実性にどのように影響するか？
• RQ5 √s = 1 TeVで全中性ノイザーおよびヒッグス系を観測することで、LSPが唯一の暗黒物質源であることをILCが確認できるか？

主な発見

• LSPおよびストーの質量と混合がそれぞれ0.15%および0.24%の精度で測定される場合、ILCで残存密度を3.4%の不確実性で予測できる。
• 残存密度予測における主な不確実性の原因は、LSPの混合行列要素N11の1%の不確実性であり、これは全体の不確実性の約66%を占める。
• N11を真の値に固定すると、残存密度の不確実性は約1.1%にまで低下し、N11の測定精度が予測の正確性において極めて重要な役割を果たすことが示された。
• 観測されないクォークやグルーギノを広い範囲で変動させても予測は安定しており、すべての観測されないパラメータを自由にした場合でも、平均予測値は0.113から0.0973に1σシフトするにとどまる。
• √s = 1 TeVで全中性ノイザーおよびヒッグス系を観測することで、追加の暗黒物質寄与がないことが確認され、LSPが唯一の暗黒物質候補であることが裏付けられた。
• micrOMEGAsにおける木構造計算は、観測されない粒子の重要性を低く見積もっている可能性があり、例えばストー共崩壊では〜10%のループ補正が結果に影響を与える可能性がある。これにより、今後の研究では1ループ補正の導入が求められる。