[論文レビュー] Is light neutralino as dark matter still viable?

Daniel T. Cumberbatch, Daniel E. López-Fogliani+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、MSSMおよびNMSSMにおける軽量ニュートラリノがダークマター候補として実現可能かどうかを再評価し、連続的な2σ実験的制約（残存密度、コライダー限界（LEP、Tevatron）、フラーバー物理学（$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$を含む））をネストドサンプリングとハードカットを用いて適用する。7–9 GeVの質量範囲でスピン不変散乱断面積が$10^{-5}$ pbを超える候補は、すべての制約を満たす点が存在しないことが判明し、モデル整合性が厳しい条件下では軽量ニュートラリノはCoGENTおよびDAMAデータと両立できないことが示された。

ABSTRACT

Motivated by the recent re-confirmation by CoGENT of the low-energy excess of events observed last year, and the recent improved limits from the XENON-100 experiment that are in contention with the CoGENT data, we re-examine the low mass neutralino region of the Minimal Supersymmetric Standard Model and of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, both without assuming gaugino mass unification. We make several focused scans for each model, determining conservative constraints on input parameters. We then determine how these constraints are made increasingly stringent as we re-invoke our experimental constraints involving the dark matter relic abundance, collider constraints from LEP and the Tevatron, and then from flavour physics, as a series of successive 2 sigma hard cuts. We find that for both models, when all relevant constraints are applied in this fashion, we do not generate neutralino LSPs that possess a spin-independent scattering cross section in excess of 10^-5 pb and a mass ~7 GeV < m_chi < ~9 GeV that is necessary in order to explain the CoGENT observations.

研究の動機と目的

• CoGENTの低エネルギー過剰とDAMAの年間モodulationを動機として、MSSMおよびNMSSMにおける7–9 GeVの軽量ニュートラリノがダークマター候補として実現可能かどうかを評価すること。
• このような軽量ニュートラリノが、XENON-100が予想されるCoGENT領域を除外する直接検出データと両立可能かどうかを検証すること。
• 連続的な2σハードカットとして、残存密度、コライダー限界（LEP、Tevatron）、およびフラーバー物理学（$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$を含む）の順に、ますます厳しい実験的制約を体系的に適用すること。
• MSSMおよびNMSSMにおける微調整されたパラメータ領域が、CoGENT観測を説明できるほど十分に大きなスピン不変散乱断面積を生成できるかどうかを特定すること。
• NMSSMの拡張されたヒッグス系が、実験的制約に違反することなく、より軽いLSPと有効なダークマターを可能にする役割を評価すること。

提案手法

• SuperBayeSおよびNMSPECパッケージ内でのMultinestアルゴリズムを用いて、MSSMおよびNMSSMの低質量ニュートラリノ領域における焦点を当てたネストドサンプリング（NS）スキャンを実施する。
• 尤度関数に実験的制約を組み込み、WMAPに整合する残存密度、LEPおよびTevatronのチャージノ/ニュートラリノ限界、$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$の限界を適用する。
• 連続的な2σハードカットを順次適用する：(1) 残存密度、(2) コライダー制約（LEP、Tevatron）、(3) フラーバー物理学および$(g-2)_\mu$制約。
• 特にNMSSMにおけるLSPの軽量化を可能にするためにゲージino質量統一を緩和し、ビノ型およびビノ-シングレット混合LSPを探索する。
• 最小フラーバー不変性（MFV）を用いて$\chi Hp$結合を制約し、特に$\tan\beta$および$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$に敏感である点を評価する。
• スピン不変（SI）散乱断面積$\sigma^\text{SI}_p$を評価し、XENON-100の直接検出限界と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSSMおよびNMSSMにおける軽量ニュートラリノは、$m_\chi \in [7,9]$ GeVおよび$\sigma^\text{SI}_p \sim 10^{-41} - 10^{-40}$ cm²の条件下で、CoGENTの低エネルギー過剰とDAMAの年間モダレーションを説明可能か？
• RQ2 連続的な2σハードカット（残存密度、コライダー限界、フラーバー物理学）が、MSSMおよびNMSSMにおける有効なパラメータ空間をどの程度制約するか？
• RQ3 NMSSMにおける拡張されたヒッグス系は、LEPおよびフラーバー制約を回避しつつ、より軽いLSPを可能にする役割を果たすか？
• RQ4 $BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$および$(g-2)_\mu$の制約が、$\chi Hp$結合をどの程度制限し、結果として$\sigma^\text{SI}_p$を抑制するか？
• RQ5 XENON-100の限界を含むすべての制約を適用した後でも、7–9 GeV範囲で$\sigma^\text{SI}_p > 10^{-5}$ pbの点が依然として有効な範囲に残っているか？

主な発見

• MSSMおよびNMSSMの両方において、7–9 GeVの質量範囲でスピン不変散乱断面積が$10^{-5}$ pbを超える有効な点は、すべての制約を満たすものが存在しない。
• $BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$の制限、特に最小フラーバー不変性下では、$\tan\beta$が大きい領域で$\chi Hp$結合が強く抑制され、多くの場合$\sigma^\text{SI}_p$が$\lesssim 10^{-6}$ pbにまで低下する。
• NMSSMにおいて$\sigma^\text{SI}_p \sim 2 \times 10^{-5}$ pbの点ですら、すべてのカットを適用した後はフラーバー制約またはXENON-100の限界によって除外される。
• NMSSMにおいては、$m_\chi \lesssim 15$ GeVの軽いLSPは、$s$-チャンネル$h_1$共鳴散乱により正しい残存密度を達成可能であり、これにはシングレット的性質の最も軽いヒッグスおよび$A_\lambda$または$A_\kappa$の微調整が必要である。
• $m_\chi \gtrsim 15$ GeVでは、$t$-チャンネルスlepton交換または準スカラーヒッグス散乱が正しい残存密度をもたらすが、これらの点はXENON-100またはフラーバー制約によって除外される。
• XENON-100の非観測結果と厳密なフラーバー物理学制約の組み合わせにより、MSSMおよびNMSSMにおける軽量ニュートラリノがダークマターであることは、モデル整合的なパラメータスキャンの下でCoGENTおよびDAMAデータと両立できないことが示された。