[論文レビュー] NMSSM neutralino dark matter for CDF II $W$-boson mass and muon $g-2$ and the promising prospect of direct detection

Tian-Peng Tang, Murat Abdughani+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、次に最小超対称標準模型（NMSSM）におけるバイノ様ニュートラリノ暗黒物質が、軽い電弱ノキンおよびスネプトンを介して、CDF II Wボソン質量の異常およびミュオンの g-2 偏りを同時に説明可能であると提唱する。好ましい暗黒物質質量範囲は180–280 GeVであり、これはPandaX-4T、XENONnT、LZ、DARWINといった現在進行中の直接検出実験で探査可能である。

ABSTRACT

Two experiments from the Fermilab, E989 and CDF II, have reported two anomalies for muon $g-2$ and $W$-boson mass that may indicate the new physics at the low energy scale. Here we examine the possibility of a common origin of these two anomalies in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model. Considering various experimental and astrophysical constraints such as the Higgs mass, collider data, flavor physics, dark matter relic density, and direct detection experiments, we find that lighter electroweakinos and sleptons can generate sufficient contributions to muon $g-2$ and $m_W$. Moreover, the corresponding bino-like neutralino dark matter mass is in the $\sim 180-280$ GeV range. Interestingly, the favored DM mass region can soon be entirely probed by ongoing direct detection experiments like PandaX-4T, XENONnT, LUX-ZEPLIN, and DARWIN.

研究の動機と目的

• NMSSMフレームワーク内でCDF II Wボソン質量およびミュオン g-2 異常の共通の説明を検討すること。
• 軽い電弱ノキンおよびスネプトンが両観測量に十分なループ補正を生成する可能性のあるパラメータ領域を同定すること。
• 暗黒物質に関する宇宙論的、加速器実験的、フレーバー物理学的、直接検出の制約と整合性を保つこと。
• 近い将来の直接検出実験で好ましい暗黒物質質量領域がどの程度探査可能かを評価すること。

提案手法

• FlexibleSUSY-2.7.0を用いて、Wボソンの自己エネルギーおよびミュオンの異常磁気モーメントに対する1ループ補正を計算する。
• ヒッグス粒子質量、リリック密度、フレーバー物理学、および直接検出実験（XENON1T、LZ、PandaX-4T）からの制約を実装する。
• スミューオンおよびニュートラリノを含む共凝縮過程を用いて、暗黒物質の消失断面積を抑制する。
• NMSSMTools-6.0.0を用いて結果を検証し、ATLASおよびLHCの13 TeVデータにおけるスネプトンおよびチャージンコの対生成に関する結果と比較する。
• 現在および将来の実験（XENONnT、LZ、DARWIN）の直接検出感度を予測する。
• 左・右ヘンドスプーンの質量差が最小限であるバイノ様ニュートラリノを暗黒物質候補として焦点化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NMSSMにおける軽い電弱ノキンおよびスネプトンは、CDF II Wボソン質量異常およびミュオン g-2 異常を同時に説明可能か？
• RQ2 両異常およびすべての実験的制約を満たすバイノ様ニュートラリノの暗黒物質質量範囲は何か？
• RQ3 スミューオンを含む共凝縮過程は、暗黒物質のリリック密度および間接検出信号にどのように影響を与えるか？
• RQ4 進行中および将来の直接検出実験が、好ましいパラメータ空間をどの程度探査可能か？
• RQ5 最近のLUX-ZEPLIN結果を踏まえて、銀河中心のガンマ線過剰に対するシングレット・ヒッグス共鳴説はまだ妥当性を保っているか？

主な発見

• CDF II Wボソン質量異常およびミュオン g-2 異常は、NMSSMにおける軽い電弱ノキンおよびスネプトンによって同時に説明可能である。
• バイノ様ニュートラリノ暗黒物質の質量は180–280 GeVの範囲に制限され、両異常および宇宙論的制約と整合的である。
• 最も軽いニュートラリノとスミューオンの間の共凝縮領域により、暗黒物質の消失断面積は10⁻²⁷ cm³s⁻¹未満に抑制される。
• 最新のLUX-ZEPLIN（LZ）実験により、Z/H共鳴領域が除外され、銀河中心過剰のシングレット・ヒッグス共鳴説は否定された。
• 好ましい暗黒物質質量領域（180–280 GeV）は、PandaX-4T、XENONnT、LZ、DARWINといった近い将来の直接検出実験の感度範囲内に完全に含まれる。
• ATLASおよびLHC 13 TeVデータにおけるスネプトンおよびチャージンコ対生成に関する制約は、特に共凝縮領域において、妥当なパラメータ空間をさらに絞り込んでいる。