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

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

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、右側ニュートリノのカップリングを通じて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。このモデルはR対称性の破れを引き起こし、LHCにおける新しい署名を予測する。具体的には、非アクティブな頂点や、複数のレプトン・ジェット・光子に加え欠損運動量を伴う信号が予想される。一方、長寿命のグラビティノはダークマター候補として浮上する。Fermi-LATデータは、95%信頼水準でグラビティノ質量をm₃/₂ < 4.8 GeV、寿命をτ₃/₂ > 7.9×10²⁷ sに制限する。パラメータ空間の広い範囲では、質量が20 GeV、寿命が10²⁵ sにまで拡張可能である可能性がある。

ABSTRACT

The `$μ$ from $ν$' supersymmetric standard model ($μν$SSM) solves the $μ$ problem of supersymmetric models and reproduces neutrino data, simply using couplings with the three families of right-handed neutrinos $ν$'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、真空期待値を介して有効μ項を生成することにより、超対称性におけるμ問題を解決すること。
• 三重項カップリングから生じる有効メジャノラ質量を含むシーブ・メカニズムを通じて、ニュートリノ質量と混合角を再現すること。
• μνSSMにおけるR対称性破れ超対称性の実験的性質を調査し、軽い超対称粒子（LSP）が不安定で崩壊し、非アクティブな頂点を生成することを明らかにすること。
• グラビティノがμνSSMにおいて、単色のガンマ線に崩壊する可能性を考慮し、ダークマター候補としての妥当性を評価すること。
• Fermi-LATガンマ線データを用いて、特に銀河の極付近で観測された単色ガンマ線線の非観測を根拠に、グラビティノ質量と寿命の制限を導出すること。

提案手法

• μνSSMは、三重項カップリングλᵢν̂ᶜᵢĤᵤĤdおよび1/3κᵢⱼₖν̂ᶜᵢν̂ᶜⱼν̂ᶜₖを導入することでMSSMを拡張し、有効μ項と右側ニュートリノのメジャノラ質量を生成する。
• 有効μ項はμ^eff = λᵢ⟨ν̂ᶜᵢ⟩で与えられ、⟨ν̂ᶜᵢ⟩は右側スネュートリノの真空期待値であり、μ問題を動的に解決する。
• R対称性保存項が存在しないため、R対称性破れが生じ、LSPがSM粒子に崩壊し、即時または非アクティブな頂点を生成する。
• グラビティノ崩壊からのガンマ線信号は、ρ₀ ≈ 0.4 GeV/cm³、rs = 20 kpc、α = 0.17のEinastoダークマターハロー分布を用いて計算される。
• Fermi-LAT 62か月分のデータを、銀河の極領域（|b| > 60°）で分析し、グラビティノ崩壊に起因する単色ガンマ線線の探索が行われた。
• 信号対背景比を用い、スペクトル線の非観測を根拠に、95%信頼水準でグラビティノ質量と寿命の制限が導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 μνSSMは、右側ニュートリノカップリングを通じて、同時にμ問題の解決とニュートリノ質量の説明を可能にするか？
• RQ2 R対称性破れおよび不安定なLSPの存在により、μνSSMで予想されるLHCの新しい署名は何か？
• RQ3 グラビティノが崩壊するにもかかわらず、μνSSMにおいてどのようにして妥当なダークマター候補として機能するのか？
• RQ4 Fermi-LATガンマ線観測から、グラビティノ質量と寿命にどのような制限が得られるか？
• RQ5 異なるダークマターハロー分布とパラメータ空間の領域は、グラビティノ崩壊に関する導出限界にどのように影響を与えるか？

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、基本的パラメータを導入することなく、有効μ項を生成することで、μ問題を効果的に解決する。
• ニュートリノ質量と混合角は、三重項カップリングから生じる有効メジャノラ質量を含む一般化されたシーブ・メカニズムを通じて再現される。
• μνSSMにおけるR対称性破れは、不安定なLSPを生じさせ、複数のレプトン・ジェット・光子に加え欠損運動量と即時または非アクティブな頂点を伴う特徴的なLHC署名を生成する。
• Fermi-LATデータは、すべてのダークマターがグラビティノの形で存在すると仮定した場合、グラビティノ質量をm₃/₂ < 4.8 GeV、寿命をτ₃/₂ > 7.9×10²⁷ sに95%信頼水準で制限する。
• パラメータ空間の全範囲の初期的探索では、3体崩壊寄与の影響を受ける特定の領域において、質量がm₃/₂ < 20 GeV、寿命がτ₃/₂ > 10²⁵ sにまで拡張可能である可能性がある。