[論文レビュー] Maximum And Minimum Dark Matter Detection Cross Sections

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta+1 more|ArXiv.org|Aug 31, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、R-奇性保存型超対称性理論（mSUGRA、非ユニフォームなスフィア破れ、Dブレーンモデル）におけるスピン非依存型中性ノイドロン-陽子散乱断面積の最小値と最大値を調査し、現在の検出器がSUSYパラメータ空間の広範な領域をカバーしている一方、将来的な検出器では、グルーギノ質量が1 TeVを超える領域を除き、ほぼすべての領域をカバーできることが示された。最小断面積は、μ < 0 の領域における干渉効果により約10⁻¹² pbにまで低下し、現在および計画中の検出器の感度よりはるかに低い値である。

ABSTRACT

The range of neutralino-proton cross sections for R-parity preserving supergravity models with GUT scale unification of the gauge coupling constants is examined. The models considered here are mSUGRA, models with non universal soft breaking and D-brane models. It is found that the current dark matter detectors are sampling significant parts of the SUSY parameter space and future detectors could sample almost the entire space. The special regions of parameter space that may be inaccessible to future detectors are seen to have a squark/gluino spectra beyond 1 TeV, but observable at the LHC.

研究の動機と目的

• R-奇性保存型超対称性理論モデルが予測するスピン非依存型中性ノイドロン-陽子断面積の範囲を特定すること。
• 現在および将来的な直接的ダークマター検出器がSUSYパラメータ空間をどの程度カバーできるかを評価すること。
• 宇宙論的制約と整合的であるが、将来的な検出器では到達できない理論的パラメータ空間の領域を同定すること。
• 理論的補正（二ループRGE、ヒッグス質量補正、b→sγ制約など）が予測される断面積に与える影響を評価すること。

提案手法

• GUTスケールから電弱スケールへ至る過程で、二ループゲージおよび一ループヤコビアンの整合性方程式（RGE）を用いてパラメータを進化させる。
• 理論的補正には、SUSYスケール未満のQCD RGE、二ループヒッグス質量計算、および大きなtan βにおけるスフェルミオン質量行列のL-R混合を含む。
• 特にCP非対称位相の影響を制限するため、電子および中性子の電気双極子モーメント（EDM）制約を適用する。
• 宇宙論的観測と整合させるために、最軽い中性ノイドロンの残存密度Ωχ̃₀₁h²は0.02 ≤ Ωχ̃₀₁h² ≤ 0.25に制限される。
• Zおよびヒッグス粒子の交換による寄与を含む、完全な一ループ補正を用いて断面積を計算する。
• 本分析は、三つのモデルに適用される：ユニフォームなスフィア破れを仮定したmSUGRA、ヒッグスおよび第三世代スフェルミオン質量の非ユニフォーム性を含むモデル、およびMGにおけるゲージノおよびスカラー質量の非ユニフォーム性を持つDブレーンモデル。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mSUGRAおよび関連モデルが予測する最小のスピン非依存型中性ノイドロン-陽子断面積は何か？また、将来的な直接検出実験で到達可能か？
• RQ2 DAMAやCDMSなどの実験が現在どの程度のSUSYパラメータ空間をカバーしているか？また、異なるSUGRAモデル間でどのように比較できるか？
• RQ3 残存密度、b→sγ崩壊、電気双極子モーメントといった理論的制約が、予測される断面積範囲に与える影響は何か？
• RQ4 散乱振幅におけるキャンセル効果が、GENIUSやCryoarrayといった計画中の検出器の感度限界以下に断面積を低下させ得るか？
• RQ5 非常に重いグルーギノ（>1 TeV）を持つパラメータ空間の領域は、直接検出では検出不能だが、LHCで観測可能か？

主な発見

• μ > 0 のmSUGRAでは、m₁/₂ ≤ 600 GeVの場合、最小中性ノイドロン-陽子断面積はσχ̃₀₁−p ≥ 1×10⁻⁹ pbであり、グルーギノ質量は約1.5 TeVまで達する。
• μ < 0 の場合、破壊的干渉により断面積はtan β ≈ 10およびm₁/₂ = 600 GeVで最大で1×10⁻¹² pbまで低下し、グルーギノ質量は950 GeVを超える。
• これらの低断面積領域は、10⁻⁹–10⁻¹⁰ pbの感度を目指す将来的な検出器（GENIUSやCryoarray）では到達不可能である。
• Dブレーンモデルでは、最も軽いチャージリンオと中性ノイドロンの質量がほぼ縮退する領域に、新しい共殞滅チャネルが存在する可能性があり、断面積に影響を与えるが、本研究では完全には分析されていない。
• CP非対称位相は断面積を2–3倍まで減少させるが、tan β ≤ 3–5でない限り好ましくないため、最小断面積への影響は限定的である。
• m₁/₂を1 TeVに引き上げると最小断面積は2–3倍小さくなり、σπNを65 MeVから45 MeVに下げることでさらに3倍小さくなる。