[論文レビュー] Searching for SUSY and decaying gravitino DM at the LHC and Fermi-LAT with the $\mu u$SSM

Carlos Muñoz|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、右側ニュートリノのカップリングを通じて有効なµ項を生成することでµ問題を解決し、ニュートリノ質量を説明する超対称的モデルであるµνSSMを提案する。これによりR-number不変性が破れる。LHCにおける新しいシグネチャ—、すなわち、ずらされた頂点と、複数のレプトン／ジェット／光子を含む最終状態が予測される。一方、長寿命のグラビティノは、Fermi-LATによるガンマ線ライン検出可能であり、質量は5–20 GeV未満、寿命は10²⁵–10²⁸ s以上に制約される。

ABSTRACT

The `$\mu$ from $ u$' supersymmetric standard model ($\mu u$SSM) solves the $\mu$ problem of supersymmetric models and reproduces neutrino data, simply using couplings with the three families of right-handed neutrinos $ u$'s. Novel signatures of supersymmetry at the LHC are expected through these new states, and couplings breaking $R$ parity. All supersymmetric particles are potential candidates for the lightest one, which is not stable leading to prompt or displaced vertices and producing final states with multi-leptons/taus/jets/photons and missing energy. Besides, a decaying gravitino turns out to be an interesting candidate for dark matter. It can be searched through gamma-ray observations, such as those of the Fermi Large Area Telescope. The latter, depending on the region of the parameter space of the model, already imposes an upper bound on the gravitino mass of the order of $5-20$ GeV and a lower bound on the lifetime of about $10^{25-28}$ s.

研究の動機と目的

• 右側ニュートリノのカップリングを導入することで、超対称性におけるµ問題を解決し、有効なµ項を生成すること。
• 右側スネュートリノの真空期待値⟨ν̃c_i⟩を介するシースワップ機構を用いて、右側ニュートリノの有効なメジャナ型質量とニュートリノ質量・混合角を説明すること。
• 超対称粒子のR-number不変性破れ崩壊に起因する、LHCにおける新しいシグネチャ—（即時およびずらされた頂点を含む）を調査すること。
• Fermi-LATガンマ線観測を用いて、崩壊するグラビティノがダークマター候補として成立するかを評価すること。
• 単色ガンマ線の非観測に基づき、グラビティノ質量および寿命に関する強固な制約を設定すること。

提案手法

• 右側スネュートリノの真空期待値⟨ν̃c_i⟩を介して、λi ν̃c_i H̃d H̃uカップリングによる有効なµ項を生成するµνSSMを導入する。
• κijk ν̃c_i ν̃c_j ν̃c_kカップリングを介して、右側ニュートリノの有効なメジャナ型質量を生成するシースワップ機構を用いる。
• R-number不変性破れ下でのLHCの素粒子物理学的性質を分析し、軽い超対称粒子（LSP）が即時またはずらされた頂点を介して崩壊し、複数のレプトン／タウ／ジェット／光子＋欠損エネルギーを含む最終状態を生成することを検討する。
• 重力と小さなR-number不変性破れカップリングによって寿命が抑制されるグラビティノをダークマター候補として評価する。
• 62か月分のデータを用いたFermi-LAT解析を実施し、銀河のハローをEinastoプロファイルでモデル化し、信号対背景比が高いROI（|b| > 60°）を選択する。
• スペクトルライン探索を実施し、単色ガンマ線の非観測に基づく95%信頼区間上限を用いて、グラビティノの質量および寿命を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 µνSSMは、基本的なµ項を導入せずにµ問題を解決し、ニュートリノの観測データを再現できるか？
• RQ2 R-number不変性破れおよび非安定LSPに起因するµνSSMにおけるLHCにおける新しいシグネチャ—は何か？
• RQ3 崩壊するグラビティノは、µνSSMにおいて実現可能なダークマター候補であるか？ その検出可能なシグネチャ—は何か？
• RQ4 Fermi-LATガンマ線データを用いて、グラビティノの質量および寿命にどのような制約を課すことができるか？
• RQ5 ハロー分布の不確実性およびROI選択が、グラビティノ崩壊パラメータの制限に与える影響は何か？

主な発見

• µνSSMは右側スネュートリノの真空期待値を介して有効なµ項を生成し、基本的なµ項を必要とせずにµ問題を解決する。
• κijkカップリングとν̃c_iの真空期待値を介するシースワップ機構により、観測されたニュートリノ質量および混合角を再現する。
• R-number不変性破れにより、LSPの崩壊が即時またはずらされた頂点を介して発生し、複数のレプトン／タウ／ジェット／光子および欠損エネルギーを含む最終状態が生成される。
• 62か月分のFermi-LAT観測データから、すべてのダークマターがグラビティノであると仮定した場合、グラビティノ質量の95%信頼区間上限は4.8 GeV、寿命の下限は7.9 × 10²⁷ sであると制約された。
• 3体崩壊の予備的検討により、特定のパrameter領域では、グラビティノ質量の上限が約20 GeVに達し、寿命の下限が約10²⁵ sにまで低下する可能性がある。
• µνSSMの理論的に好ましいパラメータ空間は、グラビティノ質量が5–20 GeV未満、寿命が10²⁵–10²⁸ s以上に制限され、モデルのセクターに依存する。