[論文レビュー] Light neutralino dark matter in light Higgs scenario related with the CoGeNT and DAMA/LIBRA results

Seodong Shin|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2010

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、標準模型を越えた理論（BMSSM）フレームワークにおいて、非常に軽い電荷不変Higgsボソン（9–10 GeV）がスピン非依存散乱を媒介することで、CoGeNTおよびDAMA/LIBRAの信号を説明する直接検出断面積約10⁻⁴⁰ cm²を実現する、軽いニュートラリノ暗黒物質のシナリオを提案する。中性子の質量が5–6 GeVのとき、共鳴消失によって観測されたリリック密度と整合的である。

ABSTRACT

Recently, the CoGeNT collaboration reported the WIMP candidate signal events exceeding the known backgrounds where the light WIMP with large cross section is supported. Motivated by this issue, we analyze a light neutralino dark matter scenario with a very light CP-even Higgs mediation in the elastic scattering process, which provides the mass and direct detection cross section to explain the CoGeNT result. To be compatible with the result of other experiments such as LEP and B-factories, the light CP-even Higgs is favored to be in 9 to 10 GeV. Such a scenario can be realized in the "Beyond the MSSM" context. The relic abundance consistent with the WMAP result can be obtained when twice of neutralino mass is close to the light Higgs mass via the resonance enhancement of the annihilation cross section. As a result, the neutralino mass is predicted to be at around 5 to 6 GeV.

研究の動機と目的

• スピン非依存断面積（約10⁻⁴⁰ cm²）を持つ軽いWIMPによるCoGeNTおよびDAMA/LIBRAの直接検出信号を説明すること。
• LEP、Bファクトリー、XENON100の制約を満たす、軽いニュートラリノ（4–7 GeV）を有する実現可能な暗黒物質モデルを構築すること。
• sチャネルでの軽いHiggsボソンを介した共鳴消失によって、観測されたリリック密度（Ωh² ≈ 0.12）を達成すること。
• LEPおよびレア崩壊の制約を避けるBMSSMフレームワークにおける9–10 GeVの軽いCP不変Higgsの可能性を検討すること。

提案手法

• 中性子-核子弾性散乱における主要な媒介粒子として、質量が9–10 GeVの軽いCP不変Higgsボソン（mh ≈ 9–10 GeV）を採用し、スピン非依存断面積を増幅する。
• Higgs系に微小な補正（ε₁, ε₂）を導入するBMSSMフレームワークを適用し、SMに類似したHiggsカップリングを維持しながら軽いHiggsを実現する。
• LEPによるHiggsストラーレーションおよび関連生成の制約（R_hZおよびR_hA）を用いて、パラメータ空間を制限する。
• sチャネルHiggs媒介消失によるリリック密度の計算を用い、共鳴増幅がmh/2近辺に現れるように、必要な中性子の質量を特定する。
• 中性子質量固有状態の混合を中性子混合行列（N₁₃, N₁₄）を用いて解き、混合角αおよびβを用いて有効カップリングg_hχχを計算する。
• 直接検出および宇宙論的制約を満たすために、tanβ、ε₁、ε₂、mhのパラメータ空間を数値スキャンする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEPおよびBファクトリーの制約を満たす実現可能なモデルにおいて、スピン非依存断面積が約10⁻⁴⁰ cm²の軽い中性子（4–7 GeV）を実現できるか？
• RQ2 BMSSMにおいて、LEPによるHiggsストラーレーションおよび関連生成の制限を満たす、非常に軽いCP不変Higgs（9–10 GeV）は可能か？
• RQ3 軽い中性子に対して、観測されたリリック密度（Ωh² ≈ 0.12）は、共鳴消失によってどのように達成できるか？
• RQ4 直接検出信号および宇宙論的制約を同時に満たすために必要なパラメータ値（tanβ, ε₁, ε₂）は何か？

主な発見

• 質量9–10 GeVの軽いCP不変Higgsボソンが、約10⁻⁴⁰ cm²のスピン非依存散乱断面積を実現し、CoGeNTおよびDAMA/LIBRAの信号と整合的である。
• sin²(α−β) < 0.01の条件下では、LEP制約を満たし、過剰なHiggsストラーレーションおよび関連生成率を回避できる。
• 中性子質量が5–6 GeVのとき、sチャネル共鳴消失によって観測されたリリック密度が成功裏に再現される。
• tanβ ≈ 3のとき、期待される断面積を達成しLEP制約を回避するためには、ε₁ ≈ −0.10から−0.06、ε₂ ≈ −0.11が必要となる。
• 本モデルは、中性子の質量に狭いウィンドウ（5–6 GeV）を予測する。上限は、非共鳴消失による過剰閉じ込めを避ける必要があるため設定される。
• mh < 10 GeVのとき、このシナリオは最も自然である。質量が高くなると、微調整が必要になり、R_hA < 0.2の制約に反する。