[論文レビュー] Non-thermal CMSSM with a 125 GeV Higgs

Luis Aparicio, Michele Cicoli+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、制限付き最小超対称標準模型（CMSSM）における非熱的宇宙論的シナリオを提案し、インフレーション後の再加熱温度を追加の自由パラメータとして扱う。Higgsinoに類似したLSP（質量 ~300 GeV）と再加熱温度 ~2 GeVの組み合わせが、LHC、Planck、直接的・間接的検出制約と整合的に、観測されたダークマターの残存密度を再現可能であることを示している。これは、後期のモジュール崩壊によって標準的熱的メカニズムが失敗するにもかかわらず成立する。

ABSTRACT

We study the phenomenology of the CMSSM/mSUGRA with non-thermal neutralino dark matter. Besides the standard parameters of the CMSSM we include the reheating temperature as an extra parameter. Imposing radiative electroweak symmetry breaking with a Higgs mass around 125 GeV and no dark matter overproduction, we contrast the scenario with different experimental bounds from colliders (LEP, LHC), cosmic microwave background (Planck), direct (LUX, XENON100, CDMS, IceCube) and indirect (Fermi) dark matter searches. The allowed parameter space is characterised by a Higgsino-like LSP with a mass around 300 GeV. The observed dark matter abundance can be saturated for reheating temperatures around 2 GeV while larger temperatures require extra non-neutralino dark matter candidates and extend the allowed parameter space. Sfermion and gluino masses are in the few TeV region. These scenarios can be achieved in string models of sequestered supersymmetry breaking which avoid cosmological moduli problems and are compatible with gauge coupling unification. Astrophysics and particle physics experiments will fully investigate this non-thermal scenario in the near future.

研究の動機と目的

• 非熱的ダークマター生成（後期モジュール崩壊を伴う）を伴うCMSSMの実験的性質を調査し、再加熱温度を追加のパラメータとして導入すること。
• 観測された125 GeVのヒッグスボソン質量を、非熱的宇宙論的フレームワーク内での妥当なダークマター残存密度と整合させる。
• LHC、CMB（Planck）、直接的・間接的ダークマター検出制約（LUX、XENON100、Fermi、IceCube）と照らし合わせて、モデルを検証すること。
• 宇宙論的モジュール問題を鑑み、観測されたダークマター密度が過剰生産を伴わずに達成されるパラメータ領域を同定すること。
• 分離された超対称性破れとゲージ結合定数の統一を伴う、弦理論的モデルへの埋め込み可能性を評価すること。

提案手法

• 再加熱温度 $ T_R $ を追加の自由パラメータとして含めることで、標準的CMSSM/mSUGRAパラメータ空間を拡張する。
• 125 GeVのヒッグス質量をLHC測定と整合させるために、電弱対称性の自発的破れを仮定する。
• 中性子LSPの残存密度を、物質優位状態以降に長寿命なモジュール場の崩壊から生じる非熱的生成メカニズムで計算する。
• LEP、LHC、Planck、LUX、XENON100、CDMS、Fermi、IceCubeからの制約を用いて、パラメータ空間を制限する。
• μパラメータが正または負の両ケースを検討し、特にヒッグスノに類似したLSPに注目する。
• 弦理論的高エネルギー理論的完成形を検討し、$ T_R \sim M_P \epsilon^{9/4} $、$ m_{\text{mod}} \sim M_P \epsilon^{3/2} $、$ M_{\text{soft}} \sim M_P \epsilon^2 $ とし、$ \epsilon \sim 10^{-8} $ で $ T_R \sim 1-10 $ GeV かつ $ M_{\text{soft}} \sim \text{TeV} $ を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMSSMにおける非熱的宇宙論的歴史は、観測された125 GeVのヒッグスボソン質量と正しいダークマター残存密度を再現可能か？
• RQ2 観測されたダークマター密度が過剰生産を伴わずに達成される再加熱温度 $ T_R $ の許容範囲は何か？
• RQ3 直接的および間接的ダークマター検出制約（特にLUXとFermi）が、妥当なパラメータ空間をどのように制限するか？
• RQ4 特にLHCおよび将来の100 TeV加速器において、この非熱的シナリオが示す加速器の実験的性質は何か？
• RQ5 この非熱的CMSSMは、分離された超対称性破れとゲージ結合定数の統一を伴う弦理論的コンパクト化に埋め込めるか？

主な発見

• 観測されたダークマター残存密度は、質量 ~300 GeVのヒッグスノに類似したLSPと再加熱温度 $ T_R \simeq 2 $ GeVの組み合わせで達成される。
• LUXとFermiの制約が最も厳しく、妥当なパラメータ空間が $ T_R \simeq 2 $ GeV および $ m_\chi \simeq 300 $ GeV の周辺に狭小化される。
• 再加熱温度 $ T_R > 2 $ GeV の場合、観測された全残存密度を説明するためには、中性子以外のダークマター成分が追加で必要となる。
• スフェルミオンおよびグルーギの質量は数TeVの範囲に予測され、現在のLHCでは到達できないが、将来の100 TeV加速器で探査可能となる。
• モデルは、軽いチャリオンと中性ノ（最も軽いおよび2番目に軽い中性ノ）の近い degenerate スペクトルを予測し、LHCにおけるモノジェット＋ソフトレプトン＋欠損エネルギーの署名で探査可能となる可能性がある。
• 弦理論的モデルにおいて $ \epsilon \sim 10^{-8} $ とすると、自然に $ T_R \sim 1-10 $ GeV、$ m_{\text{mod}} \sim 10^6 $ GeV、$ M_{\text{soft}} \sim \text{TeV} $ が得られ、このシナリオはUV完成可能であり、統一と整合的である。