[論文レビュー] Neutralino Dark Matter with Light Staus

Aaron Pierce, Nausheen R. Shah+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用数 20

ひとこと要約

本稿では、MSSMにおける実用的なダークマターのシナリオを提案する。軽いステウ（約100 GeV）がtチャネル交換によって中性ノー粒子の対消滅を媒介し、質量デゲネラシーを必要とせずに正しい残存密度を達成する。2つの明確な臨床的状況が生じる：1つはヒッグスチノ成分を有する中性ノー粒子が直接検出信号を可能にするもので、もう1つは大きなステウ混合がヒッグス → γγ崩壊率を高めるもので、両者とも加速器実験およびヒッグスの高精度測定で検証可能である。

ABSTRACT

In spite of rapid experimental progress, windows for light superparticles remain. One possibility is a ~100 GeV tau slepton whose t-channel exchange can give the correct thermal relic abundance for a relatively light neutralino. We pedagogically review how this region arises and identify two distinct scenarios that will be tested soon on multiple fronts. In the first, the neutralino has a significant down-type higgsino fraction and relatively large rates at direct detection experiments are expected. In the second, there is large mixing between two relatively light staus, which could lead to a significant excess in the Higgs boson branching ratio to photons. In addition, electroweak superpartners are sufficiently light that direct searches should be effective.

研究の動機と目的

• LHCおよび直接検出の厳しい制約にもかかわらず、特に軽いスーパーパartnerを有するMSSMにおける実用的なダークマターのシナリオを同定すること。
• 軽いステウ（約100 GeV）がtチャネル交換を通じて中性ノー粒子の対消滅を媒介し、観測された残存密度に達する方法を調査し、ステウと共殻化を回避すること。
• 2つの明確な臨床的領域を同定すること：1つは顕著なヒッグスチノ混合成分を有し、直接検出を可能にするもので、もう1つは大きなステウ混合によりヒッグス → γγ分岐比が強化されるもの。
• 近い将来の加速器探索、直接検出実験、およびヒッグスボソンの高精度測定を通じて、これらのシナリオの検証可能性を評価すること。

提案手法

• 中性ノー粒子の対消滅過程χχ → ττにおけるtチャネルステウ交換を分析し、MSSMのラグランジアンと中性ノー粒子とステウの結合から得られる結合定数を用いる。
• 中性ノー粒子混合行列N_ijとステウ混合角τを用いて、結合定数g_Lとg_Rを導出する。tanβに依存するヤコビアン結合を組み込む。
• 熱的残存密度を消滅断面積σvを用いて評価し、sチャネルおよびtチャネルの寄与を考慮する。特に「バルクステウ」領域ではtチャネルが支配的となる。
• ループ関数A₀[x]、A₁[x]、A₁/₂[x]を用いて、ヒッグス → γγ崩壊幅を計算し、仮想ステウのループ寄与を含む。
• 中性ノー粒子質量行列M_Nとステウ質量行列M²_τを用いて、質量固有状態と混合角を計算する。パラメータはMSSMパラメータ空間によって制約される。
• 大きなtanβおよび小さなM₂が中性ノー粒子の成分に与える影響を検討し、ヒッグスチノおよびウィノ成分が劣勢となり、ビノが支配的LSPとなることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量デゲネラシーを必要とせずに、軽いステウ（約100 GeV）が中性ノー粒子の対消滅をtチャネル交換によって媒介し、正しい熱的残存密度を達成できるか？
• RQ2 軽いステウが存在する中で、非自明なヒッグスチノ成分を有する中性ノー粒子の直接検出可能性はいかがなものか？
• RQ3 大きなステウ混合がどのようにヒッグスボソンの分岐比へのダイフォトン崩壊に顕著な増幅をもたらすか？
• RQ4 現在および近い将来の加速器実験、直接検出、ヒッグスの高精度測定によって、ステウを介した消滅過程はどの程度まで探査可能か？
• RQ5 tanβはどのようにステウを介した消滅を強化し、ヒッグス → γγ崩壊率を変更するか？

主な発見

• 軽いステウ（約100 GeV）は、tチャネルを介した中性ノー粒子の対消滅を介して、LSPと質量デゲネラシーを必要とせずに正しい残存密度を達成できる。これは、主にビノ成分を有するLSPに対しても成立する。
• 中性ノー粒子に顕著なヒッグスチノ成分が存在する場合、tanβ依存のヤコビアン結合に起因して直接検出断面積が増大し、近い将来の実験でLSPを検出可能になる。
• 大きなステウ混合は顕著なs波消滅断面積をもたらし、ヒッグスボソンの分岐比をダイフォトン崩壊に対して最大1.5～2倍まで強化できる。これはステウ質量および混合角に依存する。
• ヒッグス → γγ率は現在の実験的制約範囲内（CMS：0.78–1.11、ATLAS：1.65）に保たれるが、ATLASの値に近いずれが観測されれば、ステウループによる新しい物理の兆候となる可能性がある。
• 電弱スーパーパートナー、特にステウは（約100 GeVの）十分に軽いため、LHCにおける sleptonsおよびチャージノの直接探索は、これらのシナリオを感度を持って探査可能である。
• ステウはセレクトロンやスムーオンよりも弱い制約を受けることと、共殻化を回避するtチャネル媒介メカニズムのおかげで、LEPおよびLHCのステウ制約に対してもモデルは依然として妥当である。