[論文レビュー] Is the light neutralino thermal dark matter in the pMSSM ruled out?

Rahool Kumar Barman, G. Bélanger+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、pMSSMにおける軽量ニュートラリノが熱的に生成されるダークマターとしての可能性を検討し、ヒッグス粒子が h → χ̃⁰₁χ̃⁰₁ として見えない崩壊を示す可能性がある状況に注目している。LHCおよびLZ実験からの制約を考慮したpMSSMパラメータの包括的スキャンにより、µ > 0 の場合、Zファネル領域は除外されるが、µ > 0 では依然としてhファネルが有効であり、特にµ < 0 の場合、軽量ヒッグスティノがまだ許容可能で、将来のデータでテスト可能であることが判明した。

ABSTRACT

We explore the parameter space of the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model (pMSSM) with a light neutralino thermal dark matter ($m_{ ilde{\chi}_1^0} \leq m_h/2$) that is consistent with current collider and astrophysical constraints. We consider both positive and negative values of the higgsino mass parameter ($\mu$). Our investigation shows that the recent experimental results from the LHC as well as from direct detection searches for dark matter by the LUX-ZEPLIN (LZ) collaboration rule out the $Z$-funnel region for the $\mu>0$ scenario. The same results severely restrict the $h$-funnel region for positive $\mu$, however, the allowed points can be probed easily with few more days of data from the LZ experiment. In the $\mu<0$ scenario, we find that very light higgsinos in both the $Z$ and $h$ funnels might survive the present constraints from the electroweakino searches at the LHC, and dedicated efforts from experimental collaborations are necessary to make conclusive statements about their present status.

研究の動機と目的

• 軽量ニュートラリノ（mχ̃⁰₁ ≤ mh/2）がpMSSMフレームワークにおいて熱的に生成されるダークマターとしての妥当性を評価すること。
• 最近のLHCおよび直接検出（LZ）の制約が、µ > 0 および µ < 0 の両方のヒッグスティノ質量パラメータµに対してZファネルおよびhファネル領域に与える影響を評価すること。
• 現在の実験的制約と整合的であり、将来の発見が可能なパラメータ領域を同定すること。
• 直接検出断面積を用いたベンチマーク点の評価と、近い将来のLZおよびLHCデータによる検出可能性の評価。

提案手法

• 電弱スケールにおける10個のpMSSMパラメータ（M1, M2, µ, tanβ, MA, 第3世代スクォーク質量, At, M3）を対象とした2×10⁸点のランダムスキャン。
• Zファネルおよびhファネル領域を適切にカバーするため、M1を動的チューニングし、mχ̃⁰₁をmZ/2 ± 5 GeVおよびmh/2 ± 3 GeVの範囲に設定。
• FeynHiggs 2.18.1を用いて、ヒッグス質量、結合定数、および見えない分岐率を計算し、保守的な3 GeVの理論的不確実性を適用。
• SModelSを用いて、各ベンチマーク点に対して最も感受性の高いLHCおよび直接検出解析を同定。
• XGBoostを用いた多次元解析により、3l + E/T最終状態の信号感度を評価し、h → ZZ* → 3l + E/T チャネルの感度を検証。
• 未来のILCおよびCEPCのインvisibleヒッグス崩壊に対する感度を予測し、特にµ < 0 のシナリオに注目。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 µ > 0 の場合、現在のLHCおよびLZの制約のもとで、軽量ニュートラリノ熱的ダークマターのZファネル領域は生存可能か？
• RQ2 µ > 0 の場合、pMSSMにおける軽量ニュートラリノDMのhファネル領域は有効か？また、現在のLZ直接検出限界にどの程度近いか？
• RQ3 特にZファネルおよびhファネル領域において、µ < 0 のシナリオにおける軽量ヒッグスティノ様ニュートラリノの状態はいかなるものか？
• RQ4 LZやILCといった将来の実験が、pMSSMにおける軽量ニュートラリノDMの残存する有効パラメータ空間を解明可能か？
• RQ5 有効なベンチマーク点の直接検出断面積は、現在および将来の限界と比較してどの程度か？

主な発見

• µ > 0 の場合、現在のLHCおよびLZデータによりZファネル領域は除外されるが、hファネル領域はµ > ∼850 GeVの範囲でのみ有効である。
• µ < 0 のシナリオでは、Zファネルおよびhファネル領域の両方で非常に軽量のヒッグスティノ（125–155 GeV）が現在の制約を満たしており、特にµ ≈ –124 GeVのZファネル領域で顕著である。
• µ > 0 および µ < 0 の両方のhファネルベンチマーク点は、スピン不変直接検出断面積が現在のLZ限界の12–13%以内に収まり、わずか数日分のLZデータで検出可能である。
• µ < 0 のZファネルベンチマークでは、SI直接検出断面積が非常に小さく（0.746 × 10⁻³ pb）、専用のLHC電弱ノイノ探索によって最も容易に検出可能である。
• 将来のレプトン衝突型加速器（ILCおよびCEPC）は、それぞれ0.4%および0.3%のインビジブル分岐率を測定可能だが、µ < 0 ケースの許容可能なパラメータ空間を完全にカバーすることはできない。
• 許容可能なµ < 0 の領域では、Z → χ̃⁰₁χ̃⁰₁ の部分幅が0.1 MeV未満に保たれ、ILCのギガZオプションに対して感度を示さない。