[論文レビュー] Muon $g-2$ and Co-annihilating Dark Matter in the MSSM

Peter Cox, Chengcheng Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、最小超対称標準模型（MSSM）が、スニューオンに似たLSPの共凝縮と軽量のウィノを介して、観測された4.2σのミューオンの異常磁気モーメント（$g-2$）のずれと正しい暗黒物質の残存密度を同時に説明できることを示している。ビノ・ウィノ共凝縮の状況では、非一様なスlepton質量を持つ場合、現在の実験では制約を受けておらず、次世代の直接検出実験（例：LZ）でテスト可能な主要な領域が残っている。

ABSTRACT

We demonstrate that the recent measurement of the anomalous magnetic moment of the muon and dark matter can be simultaneously explained within the Minimal Supersymmetric Standard Model. Dark matter is a mostly-bino state, with the relic abundance obtained via co-annihilations with either the sleptons or wino. The most interesting regions of parameter space will be tested by the next generation of dark matter direct detection experiments.

研究の動機と目的

• MSSM内で観測されたミューオンの異常磁気モーメント（$a_\mu$）の4.2σのずれと、観測された暗黒物質の残存密度を同時に説明すること。
• ビノ・スタウおよびビノ・ウィノ共凝縮といった、$a_\mu$と暗黒物質の制約を同時に満たす可能性のある共凝縮メカニズムを調査すること。
• 現在の加速器実験および直接検出実験の制約を避けつつ、近い将来の実験でテスト可能なパラメータ領域を特定すること。
• 非一様なスlepton質量がLHCスlepton探索および真空安定性の制約を緩和する役割を果たすかどうかを評価すること。

提案手法

• スペクトル生成にはSuSpect-2.52、残存密度、スピン非依存のDM-核子散乱断面積、および$ a_\mu $ の1ループおよび主要な2ループ寄与の計算にはMicrOMEGAs-5.2.7を用いた。
• クォークスーパーパrticles、グルーギノ、およびヒッグスボソンは約3 TeVで分離され、125 GeVのヒッグス質量を達成するために$ A_t = 5 $ TeVとした。
• 三重項結合$ A_t $ は5 TeVに固定され、他のすべての$ A $-項は無視された。左および右のスlepton質量は等しいと仮定した。
• $ a_\mu $ の寄与の正しい符号を得るために、$\text{sgn}(M_1 M_2 \mu) > 0$ を仮定した。
• ビノ・スタウ共凝縮の場合、$ M_2 = 1 $ TeV を固定し、正しい残存密度を得るために$ M_1 $ をスキャンした。
• ビノ・ウィノ共凝縮の場合、$ M_1 $ を変化させて残存密度に一致させ、$ M_2 $ と$ \mu $ を自由パラメータとした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSSMは、共凝縮を介して、観測された$ a_\mu $ のずれと正しい暗黒物質の残存密度を同時に説明できるか？
• RQ2 LHCスlepton探索およびXENON1T直接検出の制約が、ビノ・スタウおよびビノ・ウィノ共凝縮の状況における有効なパラメータ領域に与える影響は何か？
• RQ3 $\tan\beta$ は、ビノ・スタウ共凝縮モデルにおけるコライダー制約を緩和し、$ a_\mu $ の寄与を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 非一様なスlepton質量は、一様な質量と比較して、ビノ・ウィノ共凝縮の状況における有効性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 現在の実験では制約を受けておらず、次世代の直接検出実験（例：LZ）でテスト可能なパラメータ空間の領域はどこか？

主な発見

• 一様なスlepton質量を持つビノ・スタウ共凝縮の状況では、LHCスlepton探索および真空安定性の制約により強く制限され、特に高$\tan\beta$では、LEPの制限に近い小さな領域しか残っていない。
• $\tan\beta = 20$ の場合、$ a_\mu $ に1σで一致するビノ・スタウ共凝縮領域はLHCの制約を回避できるが、非常に軽いスタウが必要で、$ m_{\tilde{\tau}_1} \lesssim 100 $ GeV となる。
• 非一様なスlepton質量を持つビノ・ウィノ共凝縮の状況では、$ a_\mu $ と残存密度を同時に説明できる広大なパラメータ領域が存在し、現在のLHCや直接検出の制約は一切ない。
• $\mu \lesssim 1.5$ TeV の場合、ビノ・ウィノモデルにおける$g-2$の最適適合領域は、次世代の直接検出実験（例：LZ）で検出可能である。
• $\mu \gtrsim 1.5$ TeV かつ $ m_{\tilde{\ell}} \gtrsim 1 $ TeV の領域は、スミューオンループによる$ a_\mu $ の説明に有効だが、LZの直接検出には到達できない。
• 完全に圧縮された領域（$ M_1 \approx M_2 \approx m_{\tilde{\ell}} $ かつ高い$\mu$ 値）は、現在のコライダーおよび直接検出実験の両方で制約を受けておらず、今後の探索の主要なターゲットとなっている。