[論文レビュー] Improved $(g-2)_μ$ measurement and singlino dark matter in $μ$-term extended $\mathbb{Z}_3$-NMSSM

Junjie Cao, Jingwei Lian+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、$\mu$-項を拡張した$Χ_3$-NMSSMモデルを提案し、同時にミューオンの異常磁気モーメント$(g-2)_\mu$における$4.2\sigma$の乖離を説明するとともに、実現可能なシングリノ主導のダークマター候補を提供する。このモデルは、$m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$および$\kappa \sim 0.2$の条件下で、閉じたダークセクター内での効率的な$\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$散乱を可能にし、核子散乱を抑制し、長大なスパートリック崩壊チェーンのおかげでLHCの制約を回避する。

ABSTRACT

Very recently, a Fermilab report of muon $g-2$ showed a $4.2σ$ discrepancy between it and the standard model (SM) prediction. Motivated by this inspiring result and the increasing tension in supersymmetric interpretation of the anomalous magnetic moment, it is argued that in the general next-to-minimal supersymmetric standard model (GNMSSM), a singlino-dominated neutralino can act as a feasible dark matter (DM) candidate in explaining the discrepancy naturally. In this case, the singlino-dominated DM and singlet-dominated Higgs bosons can form a secluded DM sector with $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o h_s A_s$ responsible for the measured DM relic abundance. when $m_{ ildeχ_1^0} \gtrsim 150~{ m GeV}$ and the Yukawa coupling $κ$ is around $0.2$. This sector communicates with the SM sector by weak singlet-doublet Higgs mixing, so the scatterings of the singlino-dominated DM with nucleons are suppressed. Furthermore, due to the singlet nature of the DM and the complex mass hierarchy, sparticle decay chains in the GNMSSM are lengthened in comparison with the prediction of the minimal supersymmetric standard model. These characteristics lead to sparticle detection at the Large Hadron Collider (LHC) being rather tricky. This study surveys a specific scenario of the GNMSSM, which extends the $\mathbb{Z}_3$-NMSSM by adding an explicit $μ$-term, to reveal the features. It indicates that the theory can readily explain the discrepancy of the muon anomalous magnetic moment without conflicting with the experimental results in DM and Higgs physics, and the LHC searches for sparticles.

研究の動機と目的

• 標準模型を越えたミューオンの異常磁気モーメント$(g-2)_\mu$における継続的な$4.2\\sigma$の乖離を説明すること。
• リリック密度、直接検出、LHCの制約と整合するGnMSSMにおける実現可能なダークマターのシナリオを調査すること。
• シングリノ主導のニュートラリノが、実験的データと矛盾することなく$\Delta a_\mu$を自然に説明できるかどうかを検討すること。
• $\mathbb{Z}_3$-NMSSMに明示的な$\mu$-項を追加することで、スパートリックの実験的性質がどのように変化し、$(g-2)_\mu$およびダークマターの制約とより整合性を持つようになるかを分析すること。

提案手法

• 本研究は、明示的な$\mu$-項を含むGNMSSMの特定のシナリオ、すなわち$\mu$ NMSSMを用いて、$\Delta a_\mu$、ダークマターのリリック密度、LHCの制約の間の相互作用を分析する。
• LHC Run-IIにおける超対称性の探索を解釈するためにモンテカルロシミュレーションを用い、ATLASおよびCMSの簡略化モデルトポロジーに焦点を当てる。
• モデルは、$\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$散乱が、$m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$の条件下で正しいリリック密度を実現する閉じたダークセクターに依存している。
• SModelS 1.2.3を用いて理論的制約を適用し、さまざまな最終状態の断面積上限と効率マップを用いてLHC探索結果を再解釈する。
• モデルの妥当性を検証するために、スピン非依存およびスピン依存の直接検出制約、ヒッグスボソン結合定数の測定値を含める。
• 正確なダークマターのリリック密度と$\Delta a_\mu$を達成するため、$\kappa \sim 0.2$のヤコビ結合定数が重要であると特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\mu$ NMSSMにおけるシングリノ主導のニュートラリノは、観測された$(g-2)_\mu$の乖離とリリック密度制約の両方を同時に説明できるか？
• RQ2 $\mathbb{Z}_3$-NMSSMに明示的な$\mu$-項を追加することで、ダークマター候補としての最軽いニュートラリノの実験的性質はどのように変化するか？
• RQ3 LHCにおける超対称粒子の探索は、$\Delta a_\mu$の文脈において$\mu$ NMSSMのパラメータ空間をどの程度制約するか？
• RQ4 閉じた$h_s A_s$散乱チャンネルは、直接検出信号を引き起こさずに正しいダークマターのリリック密度を達成するために果たす役割は何か？
• RQ5 本モデルにおける抑制された結合と長大なスパートリック崩壊チェーンは、LHCにおける超対称粒子の検出可能性にどのように影響するか？

主な発見

• この$\mu$ NMSSMモデルは、測定されたダークマターのリリック密度と矛盾せず、$(g-2)_\mu$における$4.2\sigma$の乖離をうまく説明している。
• $m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$および$\kappa \sim 0.2$の条件下で、$\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$散乱チャンネルは、閉じたダークセクター内で自然に正しいリリック密度を生成する。
• ダークマターの単一性と複雑な質量階層のおかげで、核子散乱断面積が抑制され、直接検出制約を回避している。
• 複雑な質量階層のおかげで、スパートリックの崩壊チェーンが長大となり、LHCにおける超対称粒子の検出が著しく困難になっている。
• SModelSによる簡略化モデル解釈によると、LHCの制約が緩和されており、現在の実験的限界内でもモデルは妥当性を保っている。
• モデルはヒッグスボソンの測定値と整合しており、既存のヒッグス物理学のデータと矛盾を引き起こさない。