[論文レビュー] Phenomenological Aspects of the $E_6$SSM

Jonathan P. Hall|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 127被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、弦理論にインspiredされた超対称的グランドユニフィケーション理論、$E_6$ SSMの現象論的性質を検討し、特に暗黒物質候補としての不活性中性ノーマル粒子系に注目する。その結果、最軽い不活性中性ノーマル粒子は標準模型に類似たヒッグス粒子と強く結合しており、スピン非依存のLSP-核子散乱断面積が大きく、直接検出実験の制約と矛盾するため、冷たい暗黒物質としての妥当性が疑問視される。一方、超対称的質量ゼロ状態が早期宇宙の膨張率を変化させる新しい$E_6\mathds{Z}^S_2$ SSMのバリエーションを提案し、ビッグバン核合成データへの適合性が向上する。

ABSTRACT

The inert neutralino sector of the $E_6$SSM and the dark matter that naturally arises from this sector is studied for the first time. Limits on the parameter space from experimental and cosmological observations relating to the inert neutralino dark matter are explored and the consequences for Higgs boson phenomenology are investigated. In plausible scenarios it is found that the couplings of the lightest inert neutralinos to the SM-like Higgs boson are always rather large. This has major implications for Higgs boson collider phenomenology and leads to large spin-independent LSP-nucleon cross-sections. Because of the latter, scenarios in which $E_6$SSM inert neutralinos account for all of the observed dark matter are now severely challenged by recent dark matter direct detection experiment analyses. In plausible scenarios consistent with observations from both cosmology and LEP the lightest inert neutralino is required to have a mass around half of the Z boson mass if it contributes to cold dark matter and this means that $ an(β)$ cannot be too large. A new variant of the $E_6$SSM called the $E_6Z_2^S$SSM is also presented in which the dark matter scenario is very different to the inert neutralino cold dark matter scenario and in which the presence of supersymmetric massless states in the early universe modifies the expansion rate of the universe prior to Big Bang Nucleosynthesis. The new dark matter scenario is consistent with current observations and the modified expansion rate provides a better explanation of various data than the SM prediction. The prospects for a warm dark matter scenario in the $E_6$SSM are also briefly discussed.

研究の動機と目的

• 不活性中性ノーマル粒子系が$E_6$ SSMにおいて冷たい暗黒物質候補として現象論的に妥当かどうかを調査すること。
• 強いヒッグス-中性ノーマル粒子結合が直接検出実験および加速器現象論に与える影響を評価すること。
• 残存密度およびLEPデータからの宇宙論的制約を用いて、不活性中性ノーマル粒子の質量および$\tan\beta$の制限を検討すること。
• 超対称的質量ゼロ状態が早期宇宙の膨張率を変化させる新しい$E_6\mathds{Z}^S_2$ SSMのバリエーションを提案し、その分析を行うこと。
• $E_6$ SSMにおける不活性シングレチオンによる温かい暗黒物質の可能性を評価すること。

提案手法

• $E_6$ゲージ対称性、$R$-対称性、および最も軽い不活性中性ノーマル粒子を安定化する$\mathds{Z}^H_2$ 対称性を含む$E_6$ SSMのラグランジアンを構築する。
• 超電位およびソフト対称性破れ項を用いて、中性ノーマル粒子およびチャージンオの質量行列を導出する。これには三重項結合$\lambda'$および$\epsilon$を含む。
• ボルツマン方程式を用いて、最も軽い不活性中性ノーマル粒子の熱的残存密度を計算し、宇宙論的観測と一致させる。
• パラメータ$\lambda'$、$\tan\beta$、$f$、$s$の数値スキャンを用いて、有効な暗黒物質領域をマップする。
• $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSMにおける有効なニュートリノ数$N_{\mathrm{eff}}$を計算し、ビッグバン核合成期における標準模型予測からのずれを評価する。
• ヒッグスポータル結合強度を用いて、核子へのスピン非依存散乱による直接検出断面積を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不活性中性ノーマル粒子が$E_6$ SSMにおいて冷たい暗黒物質候補として現象論的に妥当かどうか。
• RQ2 最も軽い不活性中性ノーマル粒子が標準模型に類似たヒッグス粒子とどの程度強く結合しているか。その影響は直接検出実験および加速器現象論にどのような意味を持つか。
• RQ3 $E_6$ SSMは観測された暗黒物質の残存密度を説明できるか。また、LEPおよび宇宙論的制約を満たしているか。
• RQ4 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSMに存在する超対称的質量ゼロ状態が、早期宇宙の膨張率をどのように変化させ、ビッグバン核合成にどのような影響を与えるか。
• RQ5 $E_6$ SSMにおける不活性シングレチオンによる温かい暗黒物質の可能性はどの程度か。

主な発見

• $E_6$ SSMにおける最も軽い不活性中性ノーマル粒子は、標準模型に類似たヒッグス粒子と強く結合しており、これによりスピン非依存のLSP-核子散乱断面積が大きくなる。
• これらの大きな断面積は、最近の直接検出制約と矛盾するため、パラメータ空間の大部分において不活性中性ノーマル粒子が冷たい暗黒物質候補として成立しないことを示唆する。
• 不活性中性ノーマル粒子が観測されたすべての暗黒物質を占めるためには、その質量は$Z$ボソン質量のおよそ半分、つまり約45 GeVでなければならず、$\tan\beta$は小さくなければならない。
• $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSMのバリエーションでは、超対称的質量ゼロ状態が導入され、ビッグバン核合成以前に$N_{\mathrm{eff}}$を増加させ、標準模型よりも宇宙論的データへの適合性が向上する。
• $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSMにおける修正された膨張率は、観測データと整合する高い予測$N_{\mathrm{eff}}$をもたらす。
• 不活性シングレチオンによる温かい暗黒物質のシナリオは可能であるが、完全には検討されていない。このシナリオは、小スケール構造形成における矛盾を緩和する可能性を秘めている。