[論文レビュー] Snowmass whitepaper: Exploring natural SUSY via direct and indirect detection of higgsino-like WIMPs

Howard Baer, V. Barger+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、電弱自然性を要請する放射的駆動型自然なSUSY（RNS）モデルにおけるヒッグスノ型WIMPの検出可能性を検討する。電弱自然性は、125 GeV付近の質量を持つ軽いヒッグスノと、抑制された熱的残り密度を要請する。WIMPの残り密度が標準より低いにもかかわらず、トンスケールの希ガス液体検出器（例：Xe-1-ton）は依然として全パラメータ空間を探索可能であり、信号が得られなければ自然SUSYを除外できる可能性がある。

ABSTRACT

Supersymmetric models with low electroweak fine-tuning contain light higgsinos with mass not too far from m_h\simeq 125 GeV, while other sparticles can be much heavier. In the R-parity conserving MSSM, the lightest neutralino is then a higgsino-like WIMP (albeit with non-negligible gaugino components), with thermal relic density well below measured values. This leaves room for axions (or other, perhaps not as well motivated, stable particles) to function as co-dark matter particles. The local WIMP abundance is then expected to be below standard estimates, and direct and indirect detection rates must be accordingly rescaled. We calculate rescaled direct and indirect higgsino-like WIMP detection rates in SUSY models that fulfil the electroweak naturalness condition. In spite of the rescaling, we find that ton-scale noble liquid detectors can probe the entire higgsino-like WIMP parameter space, so that these experiments should either discover WIMPs or exclude the concept of electroweak naturalness in R-parity conserving natural SUSY models. Prospects for spin-dependent or indirect detection are more limited due in part to the rescaling effect.

研究の動機と目的

• RNSモデルにおけるヒッグスノ型WIMPの検出可能性を、電弱微調整が小さい条件下で評価すること。
• 観測されたCDM密度に比べて不足するヒッグスノ型WIMPによる熱的残り密度がRNSモデルで抑制されることを考慮すること。
• 局所的WIMP密度要因ξ = Ω_TP h² / 0.12に基づいて、直接的および間接的検出率を再スケーリングすること。
• Xe-1-ton、LUX、IceCubeといった今後の実験が、RNSの全パラメータ空間をどのように探査できるかを評価すること。
• エントロピー希釈を伴う混合軸子–WIMP型ダークマター状況が、WIMP検出率をさらに抑制し、実験的探査範囲にどのような影響を与えるかを特定すること。

提案手法

• 電弱自然性を満たすRNSシナリオをモデル化するため、Δ_EW < 50およびΔ_EW < 100のNUHM2パラメータ空間を用いる。
• ヒッグスノ型中性カラの熱的残り密度Ω_TP h²を計算し、直接的および間接的検出率に再スケーリング要因ξ = Ω_TP h² / 0.12を適用する。
• スピン非依存およびスピン依存の直接的検出断面積を計算し、それぞれξおよびξ²で再スケーリングすることで、局所的WIMP密度の低下を反映する。
• 間接的検出率は、特にγ線および陽電子信号において局所的WIMP密度の二乗に依存するため、ξ²で再スケーリングする。
• Fermi LAT（γ線）、IceCube（ニュートリノ）、COUPP（スピン依存）実験からの制約を分析し、再スケーリングされた理論的予測と比較する。
• axionおよびsaxion崩壊を含む宇宙論的シナリオを検討し、最終的なWIMP密度を変えるエントロピー希釈および共凝縮効果をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 残り密度が低いにもかかわらず、Xe-1-tonのようなトンスケール希ガス液体検出器は、RNSモデルにおけるヒッグスノ型WIMPの全パラメータ空間を探索可能か？
• RQ2 Ω_TP h² / 0.12に等しい要因ξによる検出率の再スケーリングが、直接的および間接的検出実験の感度にどのように影響するか？
• RQ3 エントロピー希釈を伴う混合軸子–WIMP型ダークマター状況では、局所的WIMP密度がどれほどさらに抑制され、検出がさらに困難になるか？
• RQ4 再スケーリングされた検出率を適切に適用した後、IceCubeおよびFermi LATの現在の制約がRNSパラメータ空間を既に制限しているか？
• RQ5 IceCubeの限界が平衡的捕獲に依存しており、再スケーリングされていないにもかかわらず、太陽によるWIMP捕獲と崩壊を介した間接的検出が依然としてRNSモデルを探査可能か？

主な発見

• 観測されたCDM密度に比べて通常5〜15倍も低い熱的残り密度であっても、Xe-1-tonのようなトンスケール希ガス液体検出器は、RNSモデルにおける全ヒッグスノ型WIMPパラメータ空間を依然として探査可能である。
• 再スケーリングされたスピン非依存の直接的検出断面積は、Xe-1-tonの感度範囲内に留まり、自然SUSYの発見または除外が可能であることを示している。
• 再スケーリング後、COUPPが示すスピン依存散乱に対する現在の制約は、予測されたRNS率のおよそ1桁高い水準にある。
• IceCubeのスピン依存WIMP散乱に対する現在の制約は、RNSパラメータ空間におけるσ^SD(˜Z₁p)の最大値を除外しているが、信号領域はまだ部分的に妥当である。
• Fermi LATによるWIMPのWW最終状態への崩壊に起因するγ線線に対する制約は、まだξ²の再スケーリング要因の影響でRNSパラメータ空間に達していない。
• saxion崩壊に起因する顕著なエントロピー希釈が生じる状況では、局所的WIMP密度がさらに抑制される可能性があり、検出がさらに困難になるおそれがある。