[論文レビュー] Neutralino Proton Cross Sections For Dark Matter In SUGRA And D-BRANE Models

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、mSUGRA、非ユニバーサルSUGRA、およびD-braneモデルにおけるニュートラリノ-陽子スピン非依存断面積を計算し、直接的ダークマター実験での検出可能性を評価する。非ユニバーサルモデルでは、tan β ≥4 の低tan βで大きな断面積を達成可能であるのに対し、mSUGRAではtan β ≥25を必要とし、CP非対称位相は断面積を2–3倍小さくし、顕著な微調整を要する。

ABSTRACT

Neutralino proton cross sections are examined for models with R-parity invariance with universal soft breaking (mSUGRA) models, nonuniversal SUGRA models, and D-brane models. The region of parameter space where current dark matter detectors are sensitive, i.e. $1 imes 10^{-6}$ pb, is examined. For mSUGRA models, detectors are sampling parts of the parametr space for tan$β>\sim 25$. The nonuniversal models can achieve cross sections that are a factor of 10-100 bigger or smaller then the universal one and in the former case sample regions tan$β>\sim 4$. The D-brane models considered require tan$β>\sim 15$. The inclusion of CP violating phases reduces the cross section by a factor of $\sim$ 2-3 (but also requires considerable fine tuning at the GUT scale). The expected particle spectra at accelerators are examined and seen to differ for each model. Three new regions of possible coannihilation are noted.

研究の動機と目的

• 感度が1×10⁻⁶ pbに達する直接的ダークマター検出器がカバーできる supersymmetry パラメータ空間の割合を特定すること。
• mSUGRA、非ユニバーサルSUGRA、およびD-braneモデル間でのスピン非依存ニュートラリノ-陽子断面積を比較すること。
• CP非対称位相が断面積および宇宙論的制約に与える影響を評価すること。
• 再結合密度および検出可能性に影響を及ぼす可能性のある新しい共崩壊チャネルを同定すること。

提案手法

• GUTスケール（2×10¹⁶ GeV）からトップクォーク質量（175 GeV）まで、完全な1ループの整合性を持つ質量スペクトルを得るための反復的適用による、フル1ループの重正化群方程式（RGEs）を用いた。
• スフェルミオン質量行列におけるL-R混合、ヒッグスおよびボトムクォーク質量の1ループ補正、および正確性を高めるためにQCD RGE補正を含めた。
• b→sγ崩壊率に対する一次近似および近似的な次次精度補正を適用した。
• 実験的制約を課した：m_χ±₁ > 94 GeV、m_h > 95 GeV、B(B→Xₛγ) ∈ [1.8–4.5]×10⁻⁴。
• 陽子散乱断面積抽出のため、σ_πN = 65 MeV および σ₀ = 30 MeV を使用し、クォーク質量比 r = 24.4 ± 1.5 を採用した。
• 宇宙論的観測と整合するよう、再結合密度 Ω_χ⁰₁h² を 0.02 から 0.25 の範囲に評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mSUGRA、非ユニバーサルSUGRA、およびD-braneモデルにおけるどのSUSYパラメータ範囲で、現在の実験で検出可能なニュートラリノ-陽子断面積（≥1×10⁻⁶ pb）が得られるか？
• RQ2 CP非対称位相はスピン非依存ニュートラリノ-陽子断面積にどのように影響し、どのような微調整が必要か？
• RQ3 どのモデルで低tan βで大きな断面積が達成可能か？また、それらの状況下でのヒッグスおよびスクォーク質量構造はどのようなものか？
• RQ4 非ユニバーサルモデルでは、再結合密度および断面積予測に影響を及ぼす可能性のある新しい共崩壊チャネルは何か？

主な発見

• mSUGRAモデルでは、現在の検出器はtan β ≥ 25 の場合にのみ感度を持つ。断面積は軽いニュートラリノ（m_χ⁰₁ ≤ 120 GeV）と中程度のスクォーク質量（m_d̃ ≈ 400–700 GeV）でピークを示す。
• 非ユニバーサルSUGRAモデルでは、断面積が10–100倍に増大または抑制可能である。大きな断面積はtan β ≥ 4 で達成可能で、より重いスクォーク（m_d̃ ≈ 600–1200 GeV）と軽いヒッグス（m_h ≈ 100–110 GeV）を伴う。
• D-braneモデルでは、検出可能な断面積を得るにはtan β ≥ 15が必要であり、CP非対称位相はσ_χ⁰₁−pを2–3倍小さくし、GUTスケールでのμ位相の微調整を要する。
• 3つの新しい共崩壊領域が同定された：大tan βにおけるmSUGRAのχ̃±₁–χ̃⁰₁デゲネラシー、δ₅ < 0 の非ユニバーサルSUGRAにおけるτ̃_R–χ̃⁰₁デゲネラシー、および大Θ₁（~0.8）におけるD-braneモデルのχ̃±₁–χ̃⁰₁デゲネラシー。
• 非ユニバーサルモデルでは、低tan βおよび高スクォーク質量で大きな断面積が得られることで、検出可能な断面積と低陽子崩壊率の両立が可能になる。
• 高m₀およびm₁/₂領域では共崩壊効果により断面積が抑制されると予想されるが、本稿では検出可能性を評価するため、理論的断面積の最大値に焦点を当てた。