[論文レビュー] Improved $(g-2)_\mu$ Measurement and Singlino dark matter in the general NMSSM

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、一般NMSSM（GNMSSM）におけるシングレオン主導のニュートラリノが、同時にミュオンの異常磁気モーメントの4.2σのずれを説明できる、妥当なダークマター候補である可能性を提案する。シングレオン主導のヒッグスボソンとヤコビ係数κを含む隔離されたセクターを通じて、強い核子散乱を回避しつつ、再結合密度が達成される。この場合、シングレオンは約150 GeVより重くならねばならず、LHCおよびヒッグスデータと整合性を保つ。

ABSTRACT

Very recently, a Fermilab report of muon $(g-2)$ shows a $4.2\sigma$ discrepancy between it and the standard model 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 dark matter (DM) candidate. In this case, singlino DM and singlet-dominated Higgs bosons can form a secluded DM sector with $ ilde{\chi}_1^0 ilde{\chi}_1^0 o h_s A_s$ responsible for the measured abundance by an appropriate Yukawa coupling $\kappa$. This sector communicates with the standard model sector by weak singlet-doublet Higgs mixing, so the scatterings of the singlino-dominated DM with nucleons are suppressed. It is found that the DM must be heavier than approximately $150~{ m GeV}$ to achieve the measured relic density. Compared with the minimal supersymmetric standard model, due to the singlet nature of the DM and the complex mass hierarchy, sparticle decay chains in the GNMSSM are lengthened. These characteristics lead to sparticle detection capability at the Large Hadron Collider (LHC) being rather tricky. This study shows that the theory can readily explain the discrepancy of the muon anomalous magnetic moment without conflicting with the DM, Higgs experimental results, and LHC searches.

研究の動機と目的

• フェルミラブで観測された4.2σのミュオンの異常磁気モーメント（g-2)μのずれを解消すること。
• 一般NMSSMにおけるシングレオン主導のニュートラリノが、妥当なダークマター候補として機能可能かどうかを調査すること。
• LHC、ヒッグスボソン測定、および直接的ダークマター検出の実験的制約と整合していることを保証すること。
• 隔離されたダークマター・セクターがヒッグス混合を通じて標準模型とどのように相互作用するかを調査すること。

提案手法

• シングレオン主導のニュートラリノとシングレット主導のヒッグス粒子（hs, As）からなる隔離されたダークマター・セクターをGNMSSMに導入する。
• ヤコビ係数κを導入し、$\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ の過程が再結合密度を適切に生成できることを実現する。
• 弱いシングレット-ダブルレットヒッグス混合を用いて、隔離セクターと標準模型セクター間の相互作用を媒介する。
• 複雑な質量階層とダークマターのシングレット性により、スパーティクルの崩壊チェーンが長くなることを分析する。
• 核子散乱が隔離セクター構造によって抑制されることを前提に、再結合密度の計算を実施する。
• スパーティクル生成および崩壊パターンの分析を通じて、LHC探索およびヒッグスボソンデータとの整合性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GNMSSMにおけるシングレオン主導のニュートラリノは、観測されたミュオン(g-2)μのずれを説明すると同時に、妥当なダークマター候補として機能可能か？
• RQ2 hsとAsを含む隔離されたダークマター・セクターは、$\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ の過程を通じてどのように正しい再結合密度を達成するか？
• RQ3 核子散乱の抑制が、このモデルにおけるシングレオン質量にどのような制約を課すか？
• RQ4 ダークマターの複雑な質量階層とシングレット性は、LHCにおけるスパーティクル崩壊チェーンにどのように影響を与えるか？
• RQ5 このモデルは、既存のLHC探索、ヒッグスボソン測定、およびダークマター再結合密度の制約と整合性を保っているか？

主な発見

• 再結合密度が$\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ の過程を通じて達成されるため、シングレオンダークマターは約150 GeVより重くならねばならない。
• モデルは、ダークマターやヒッグスデータと矛盾することなく、4.2σのミュオンの異常磁気モーメントのずれをうまく説明している。
• 隔離されたダークマター・セクターの性質により、核子散乱断面積が抑制され、直接検出制約が緩和される。
• 複雑な質量階層とシングレット性により、スパーティクルの崩壊チェーンが長くなり、LHCでの検出がより困難になる。
• シングレットとダブルレットヒッグス状態間の弱い混合のおかげで、LHC探索およびヒッグスボソン測定と整合性を保っている。
• 隔離セクターにヤコビ係数κを含めることで、すべての現在の実験的制約と整合しつつ、正しい再結合密度が達成される。