[論文レビュー] Implications of the 125 GeV Higgs boson for scalar dark matter and for the CMSSM phenomenology

M. Kadastik, Kristjan Kannike+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、125 GeVのヒッグスボソンがスカラー暗黒物質およびCMSSMに与える影響を調査し、非超対称スカラーDMモデルでは真空安定性がGUTスケールまで延長可能であることを示している。CMSSMにおいては、ヒッグス質量制約に加え、暗黒物質の残存密度と(g-2)μが重なった狭い領域が選ばれ、主に sleptron共消滅によるものであり、グルーギノ、ストップ、スレプトンの間で鋭い質量相関が予測される。これはLHCでテスト可能である可能性がある。

ABSTRACT

We study phenomenological implications of the ATLAS and CMS hint of a $125\pm 1$ GeV Higgs boson for the singlet, and singlet plus doublet non-supersymmetric dark matter models, and for the phenomenology of the CMSSM. We show that in scalar dark matter models the vacuum stability bound on Higgs boson mass is lower than in the standard model and the 125 GeV Higgs boson is consistent with the models being valid up the GUT or Planck scale. We perform a detailed study of the full CMSSM parameter space keeping the Higgs boson mass fixed to $125\pm 1$ GeV, and study in detail the freeze-out processes that imply the observed amount of dark matter. After imposing all phenomenological constraints except for the muon $(g-2)_μ,$ we show that the CMSSM parameter space is divided into well separated regions with distinctive but in general heavy sparticle mass spectra. Imposing the $(g-2)_μ$ constraint introduces severe tension between the high SUSY scale and the experimental measurements -- only the slepton co-annihilation region survives with potentially testable sparticle masses at the LHC. In the latter case the spin-independent DM-nucleon scattering cross section is predicted to be below detectable limit at the XENON100 but might be of measurable magnitude in the general case of light dark matter with large bino-higgsino mixing and unobservably large scalar masses.

研究の動機と目的

• 125 GeVのヒッグスボソン質量が、非超対称スカラー暗黒物質モデルにおける真空安定性に与える影響を評価すること。
• 125 GeVヒッグスがCMSSMパラメータ空間に与える現象論的制約、特に暗黒物質の残存密度およびLHCの妥当性に関して研究すること。
• CMSSMフレームワーク内でのミュオンの異常磁気モーメント(g-2)μが125 GeVヒッグスとどのように整合するかを評価すること。
• ヒッグス質量、残存密度、(g-2)μをすべて満たす可能性のあるCMSSM領域を特定し、観測可能なスパーティクルスペクトルを予測すること。

提案手法

• 暗黒物質のフリーズアウトによる残存密度を満たすために、ヒッグス質量を125±1 GeVに固定し、CMSSM全パラメータ空間を走査する。
• 直接検出、LHC探索、およびミュオン(g-2)μ測定からの制約を適用して、妥当なパラメータ空間を絞り込む。
• 真空安定性を評価するために、統合群方程式を用い、スカラーダイレクトおよびダイレクト＋ダブルット暗黒物質モデルを分析する。
• 特にストップおよびスレプトンの共消滅を含む共消滅過程を分析し、スパーティクル質量相関を特定する。
• 詳細な数値走査を実施し、残存密度、直接検出断面積、および(g-2)μへの寄与を計算する。
• 生存するパラメータ領域におけるグルーギノ、ストップ、スレプトンの質量相関をプロットし、LHCで観測可能なシグネチャを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVのヒッグスボソンを有する非超対称スカラーDMモデルは、標準模型の安定性境界より低いヒッグス質量であるにもかかわらず、GUTスケールまで真空安定性を保つことができるか？
• RQ2 125 GeVのヒッグスボソン質量と観測された暗黒物質の残存密度を同時に再現できるCMSSM領域はどれか？
• RQ3 3σの(g-2)μ制約が、125 GeVヒッグスを有するCMSSMパラメータ領域の妥当性にどのように影響するか？
• RQ4 LHCでテスト可能なCMSSM領域において、グルーギノ、ストップ、スレプトンの間の予測される質量相関は何か？
• RQ5 125 GeVヒッグスおよび(g-2)μ制約下で、スピン不変の暗黒物質-核子散乱断面積は観測可能か？

主な発見

• 非超対称スカラーDMモデルでは、125 GeVのヒッグスボソンがGUTスケールまで真空安定性を保つことが可能であり、標準模型（SM）とは異なり、M_H > 128 GeVである必要がない。
• CMSSMにおいては、125 GeVのヒッグス質量と適切な残存密度が重なることで、スパーティクルスペクトルが重い領域が特定されるが、ストップおよびスレプトンの共消滅チャネルを除いてはそうなる。
• (g-2)μ制約を3σで適用した後、生存するのは主にスレプトン共消滅領域のみであり、これはスパーティクル質量の鋭い予測を示している。
• 生存するスレプトン共消滅領域では、グルーギノ、ストップ、スレプトンの質量間に線形相関が予測され、LHCで観測可能である可能性がある。
• ビノ-ヒッグスィノ混合が大きい場合、XENON100でも観測可能なスピン不変の暗黒物質-核子散乱断面積が得られる可能性がある、たとえスカラーパラメータが重くても。
• 暗黒物質が軽い場合、ビノ-ヒッグスィノ混合があるとCMSSMはLHCでテストできないが、このようなモデルは直接検出によってまだ探査可能である。