[論文レビュー] Looking for supersymmetry: ~1 Tev WIMP and the power of complementarity in LHC and dark matter searches

Kamila Kowalska, Leszek Roszkowski+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、125 GeVのヒッグス粒子質量と観測された暗黒物質の残り質量密度を両立させることを可能にする、約1 TeVのヒッグスチン型中性ネートロンが超対称性における最も有望な暗黒物質候補であると主張している。この状況は、近い将来の1トン級直接検出実験およびLHC探索によって検証可能であり、LHCと暗黒物質実験の相補性により、今後数年間でCMSSMモデルのほぼ完全なテストが可能になる。

ABSTRACT

Some doubts have been expressed about low energy supersymmetry (SUSY) following the first run of the LHC. In this talk I will try to present a more upbeat view based on data, rather than theoretical expectations. In particular, I will make the following points: (a) in my opinion the most attractive candidate for dark matter (DM) is now the lightest neutralino with mass around 1 TeV and with well defined properties (a nearly pure higgsino). This follows primarily from a combination of the properties of the discovered Higgs boson, in particular its mass close to 125 Gev, and the relic density of dark matter, and is most clearly visible in the context of unified, or constrained, SUSY frameworks, although the DM candidate is quite generic; (b) this DM candidate will be nearly fully tested in forthcoming one-tonne DM underground search detectors; (c) the CMSSM will be nearly fully tested in the next few years by a combination of expected data from LHC experiments and from direct DM searches, as well as potentially also by the Cherenkov Telescope Array; (d) if naturalness plays any real role in SUSY (which remains unclear), then the amount of fine tuning, which is very large in simple models like the CMSSM, can be significantly reduced (even down to 1 in 20) with properly selected boundary conditions at the unification scale; (e) the (g-2) muon anomaly can be accommodated not only in the context of the general MSSM but also of some unified SUSY models with some superpartners to be within reach of the LHC.

研究の動機と目的

• LHCラン1の結果を踏まえて、低エネルギー超対称性（SUSY）の妥当性を再評価し、広く見られる懐疑論に反論すること。
• 特に約1 TeVのヒッグスチン型中性ネートロンに注目し、制限付きSUSYフレームワーク内での最も説得力のある暗黒物質候補を特定すること。
• LHC、直接的暗黒物質検出、および間接的探索（例：CTA）の組み合わせが、SUSYモデルの強力で相補的なテスト領域を提供することを示すこと。
• GUTスケールでの非最小境界条件を用いることで、SUSYにおける微調整を著しく低減でき、自然性を保つことの可能性を示すこと。
• ゲージ結合定数の統一や軽レプトン質量の統一が完全に崩れなくても、$(g-2)_\mu$ 異常を制限付きSUSYモデル内で説明可能かどうかを検討すること。

提案手法

• ヒッグス粒子質量、暗黒物質の残り質量密度、LHCの制限から得られる制約を用いて、制限付き最小超対称標準模型（CMSSM）のベイズ的事後確率分析。
• LUXおよびXENON100からの直接検出制限の適用、および1トン級実験の将来の感度の予測。
• $B_s \to \mu^+\mu^-$の崩壊断面積測定を、CMSSMにおける$A$-ファンネル領域のプローブとして用い、大きな$\tan\beta$がDMの対消滅とフラバー非保存過程の両方を強化することを考慮。
• バーバリ・ジウディーチェ測度を用いた微調整の評価を行い、GUTスケールでの境界条件の選択を検討し、微調整を1対20まで低減することに成功。
• スレプトンおよびゲージノの統一を緩和することで、制限付きSUSYモデルにおける$(g-2)_\mu$ 異常の解を分析し、軽いスミューオンとチラーリングがLHCラン2および14で検出可能であることを示した。
• カラーレプトンおよび電弱ニュートリノのLHC探索、直接検出（WIMP-核子断面積）、および間接検出（CTA経由）の相補性を活用して、SUSYパラメータ空間を制限・テストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCラン1のnull結果にもかかわらず、約1 TeVのヒッグスチン型中性ネートロンが依然として有効な暗黒物質候補とみなせるか？
• RQ2 LHC、直接的暗黒物質検出、および$B_s \to \mu^+\mu^-$測定の組み合わせによって、CMSSMモデルはどの程度までテスト可能か？
• RQ3 GUTスケールでの非最小境界条件を用いることで、実験的制約に反しない範囲でSUSYにおける微調整を著しく低減できるか？
• RQ4 ゲージ結合定数の統一や軽レプトン質量の統一が完全に崩れなくても、制限付きSUSYモデル内で$(g-2)_\mu$ 異常を説明可能か？
• RQ5 LHCと直接的暗黒物質検出の相補性は、CMSSMの全パラメータ空間をどの程度効果的に探査できるか？

主な発見

• 質量が約1 TeVで、ほぼ完全にヒッグスチン成分である最軽い中性ネートロンが、125 GeVのヒッグス粒子質量と観測された暗黒物質の残り質量密度との整合性から、最も有望な暗黒物質候補である。
• ストーオ共消滅および$A$-ファンネル領域は、それぞれ2σおよび1σの信用領域に制限され、$A$-ファンネル領域は全ベイズ的確率の約30％を占める。
• 全確率のおよそ70％を占める主要なパラメータ空間は、$m_0$および$m_{1/2}$が数TeVに達する領域であり、この領域では中性ネートロンが完全なヒッグスチンである。この領域は1トン級直接検出実験によって完全に探査可能である。
• 今後数年間で、LHCデータ、直接検出限界（1トン級感度の予測を含む）、および$B_s \to \mu^+\mu^-$測定の組み合わせにより、CMSSMモデルはほぼ完全にテスト可能になる。
• GUTスケールでの適切な境界条件の選択により、CMSSMにおける微調整は3000分の1を超えるものから、最大で20分の1まで低減可能であり、より広範なSUSYモデルにおける自然性を保つことが可能になる。
• ゲージノおよびスレプトンの統一を緩和することで、$(g-2)_\mu$ 異常は制限付きSUSYモデル内で説明可能となり、軽いスミューオンとチラーリングがLHCラン2および14で検出可能となる。これは決定的なテストを可能にする。