[論文レビュー] LHC Run-3, Dark Matter and Supersymmetric Spectra in the Supersymmetric Pati-Salam Model

Ali Muhammad, Imtiaz Khan+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2026

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ひとこと要約

この論文は、muの符号の双方を含む超対称パティ・サラムモデルからの MSSM 現象を分析し、LHC の制約、ヒッグスデータ、ダークマター残存密度を検討し、Run-3 および今後の実験でアクセス可能な共消滅と共鳴シナリオを特定する。

ABSTRACT

Driven by the growing agreement between the experimentally measured muon anomalous magnetic moment and its SM prediction, we reexamine phenomenological consequences of the MSSM, which is embedded in the supersymmetric $SU(4)_C imes SU(2)_L imes SU(2)_R$ Pati-Salam model. In contrast to earlier studies that predominantly favored a specific sign for the Higgsino mass parameter, our analysis systematically explores both $μ> 0$, and $μ< 0$ scenarios in light of current collider, cosmological, and DM constraints. Within this framework, we identify viable parameter space regions where the observed DM relic density is reproduced through multiple mechanisms: co-annihilations involving sbottom-neutralino, gluino-neutralino, stop-neutralino, stau-neutralino, and chargino-neutralino coannihilation, as well as resonant s-annihilation channel via the pseudoscalar Higgs boson. We demonstrate that all such scenarios are consistent with present bounds from LHC supersymmetry searches, the Planck~2018 DM relic density bound, and current limits from DD DM searches. Our results reveal characteristic mass spectra associated with these mechanisms. In particular, sbottom-neutralino coannihilation typically requires sbottom masses near $2.8~ ext{TeV}$, while gluino-neutralino and stop-neutralino coannihilation scenarios allow gluino masses in the range $1$--$3~ ext{TeV}$ and stop masses between $1$ and $3.5~ ext{TeV}$. In coannihilation-dominated regions, the stau and chargino masses may reach values as high as $3.8~ ext{TeV}$, whereas viable $A$ resonance solutions are realized for pseudoscalar Higgs masses spanning approximately $1.6$--$3.8~ ext{TeV}$. We anticipate that a portion of the parameter space will be accessible to supersymmetry searches in LHC Run-3 and future runs.

研究の動機と目的

• mu の符号の双方の下で SUSY パティ・サラムモデルから生じる MSSM の現象を評価する。
• 複数の機構（共消滅と A-ファンネル）を通じて Planck2018 の正しいダークマター残存密度を与えるパラメータ領域を特定する。
• LHC SUSY 検索、ヒッグス測定、フレーバ制約、直接検出境界との適合性を確保する。
• LHC Run-3 および今後の直接検出実験によって探索可能な領域を強調する。

提案手法

• M_GUT における m0, mHu, mHd, A0, M2, M3, tanBeta, sign(mu) を用いた SUSY パティ・サラムのパラメータ空間を定義する。
• M_GUT でのガイジノ質量関係 M1=(3/5)M2+(2/5)M3 を課し、unification の ±3% の範囲内で g3 を変化させる。
• Metropolis-Hastings MCMC を用いて ISAJET 7.85 でパラメータ空間をスキャンし、REWSB とニュートラリノ LSP を強制する。
• 実験制約を適用：m_h を [122,128] GeV、スパー粒子質量境界、B 物理 observables、Planck 2018 の残存密度を 5σ 内で満たす。
• ニュートラリノ残存密度 Ω_CDM h^2 を [0.118,0.126]（Planck 2018 5σ）に満たすことを要求する。
• さまざまな DM 消滅/共消滿機構（グリューニノ-ニュートラリノ、SB-ニュートラリノ、ストップ-ニュートラノリノ、スタウ-ニュートラノリノ、チャージノ-ニュートラノリノ、A-ファンネル）を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の実験制約の下で正しいダークマター残存密度を与える SUSY パティ・サラムパラメータ空間の領域はどこか？
• RQ2 共消滅チャネル（グリューニノ、SB、ストップ、スタウ、チャージノ）と A ファンネル annihilation は mu<0 および mu>0 の実現可能な空間をどのように構成するか？
• RQ3 viable なシナリオにおける主要スパー粒子（グリューニノ、SB、ストップ、スタウ、チャージノ）の質量範囲はどれくらいか？
• RQ4 LHC Run-3 および将来の直接検出実験は生存パラメータ空間をどの程度まで探索できるか？
• RQ5 mu の符号は, この枠組みにおける (g-2)_μ の関連性やボトム・ Yukawa の統一性を含む現象学にどのように影響するか？

主な発見

• Sbottom-ニュートラノリノ共消滅解は Planck 互換の残存密度を満たし、m_sbottom1 が約 2.7–3.4 TeV の範囲で現れる。
• グリューニノ-ニュートラリノおよびストップ-ニュートラリノ共消滅は、グリューニノ質量とストップ質量をそれぞれ約 1–3 TeV および 1–3.5 TeV の範囲に許容する。
• スタウ-ニュートラノリノおよびチャージノ-ニュートラノリノ共消滅は、NLSP 質量が約 3.5 TeV まで、小さな質量差を伴う実現可能な解を生み出す。
• A-ファンネル（A/H 共鳴）解は m_A が約 1.6–3.7 TeV の範囲で現れ、現在の制約と整合する。
• mu<0 のシナリオは軽いスペクトルで t-b-τ ユ Yukawa 統一を実現できる一方、mu>0 の領域は多様な共消滅とヒッグス共鳴 DM を同様に収容する。
• Surviving なパラメータ空間のかなりの部分は LHC Run-3 および XENONnT や LZ のような将来の直接検出実験によってアクセス可能と見込まれる。