[論文レビュー] Sparticle Spectroscopy at LHC-Run3 and LSP Dark Matter in light of Muon g-2

Qaisar Shafi, Cem Salih Ün|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、GUTスケールにおける非一様なゲージノおよびスフェルミオン質量を有する超対称的GUTモデルを提案し、ミュオンのg-2測定値における4.2σの不一致を解消することを目的としている。軽いスlepton（300–800 GeV）およびチャージンオ（最大約800 GeV）を許容することで、チャージンオ–ニュートラリノループによるミュオンg-2の寄与が増大し、LHC-Run3では700 GeVまでのチャージンオ質量が68%信頼水準で探査可能になると予想される。一方、ダークマターの残存密度はスlepton–チャージンオ共殞化によって満たされる。

ABSTRACT

Inspired by the latest measurement of muon g-2 by the Fermilab Experiment, we revisit a class of supersymmetric models in which non-universality at M_GUT allows us to realize relatively light sleptons in the few hundred GeV range. These sleptons provide additional contributions to muon g-2 that can be arranged to reconcile theory and experiment. The solutions compatible with the muon g-2 resolution typically predict light sleptons, charginos and neutralinos. We show how these solutions can be probed during LHC-Run3. A direct impact on the chargino mass is observed such that the chargino can be probed up to about 800 GeV during the Run3 experiments. Despite such a direct impact, it is still possible to realize lighter chargino masses which can escape detection due to the chirality mixture of the lighter slepton states. The colored squarks as well as the gluino turn out to be heavier than about 3-4 TeV if the LSP neutralino satisfies the Planck bound on the dark matter relic abundance. We highlight a variety of benchmark points and, in particular, coannihilation scenarios with dark matter candidates that will be tested in the ongoing and planned direct and indirect detection experiments. By relaxing the requirement that the LSP neutralino saturates the relic dark matter abundance, we are able to find solutions with gluino and squark masses in a range that may be accessible at LHC-Run3.

研究の動機と目的

• 超対称性を用いて、ミュオンの異常磁気モーメント（g-2）における4.2σの不一致を解消すること。
• 非一様なGUTスケールでの質量を用いて、軽いスlepton（数100 GeV）と重いスクォークおよびグルーギノ（3–4 TeV）の両立を実現すること。
• プランクの残存密度制約を満たすモデルにおけるLHC-Run3によるチャージンオおよびダークマターの探査可能性を同定すること。
• 軽いスlepton、チャージンオ、およびスタウを含む共殞化メカニズムを探索し、妥当なダークマター候補を実現すること。
• 3–4 TeVの範囲におけるグルーギノおよびスクォーク質量の妥当性を、残存密度制約のもとで評価すること。

提案手法

• ゲージ結合定数の統一を保つGUTスケールにおける非一様なゲージノおよびスフェルミオン質量を持つ超対称的GUTモデルを構築する。
• M_GUTから電弱スケールへのランゲルギン群の進化を用いて、第1/第2家族のスleptonおよびスクォーク間の質量スプリットを生成する。
• チャージンオ–ニュートラリノおよびスミューオン–スニュートリノループからのミュオンg-2への寄与を計算し、チラリティ反転および混合効果に注目する。
• 実験的制約を適用する：ミュオンg-2のずれ（Δa_μ = 25.1±5.9×10⁻¹⁰）、プランクによるダークマターの残存密度、およびスパーティクルのLHC制限。
• パラメータ（例：μ、tanβ、A_μ、m_0、M_1/2）のモンテカルロスキャンを実施し、妥当なベンチマークポイントを同定する。
• LHC-Run3におけるチャージンオ対生成の感度をシミュレートし、m_χ̃₁± > 500–700 GeVの範囲で68%および95%信頼水準における発見可能域を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M_GUTにおける非一様なスフェルミオンおよびゲージノ質量は、観測されたミュオンg-2の異常を解消しつつ、ゲージ結合定数の統一を保つことができるか？
• RQ2 ミュオンg-2データと整合するモデルにおいて、LHC-Run3が探査可能な最大のチャージンオ質量はどの程度か？
• RQ3 スlepton、スタウ、およびチャージンオを含む共殞化プロセスは、LSPニュートラリノの残存密度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 グルーギノおよびスクォーク質量が3–4 TeVの範囲にまで低下しても、プランクによるダークマターの残存密度制約を満たすことができるか？
• RQ5 チャージンオおよびニュートラリノの組成（例：ウィノ様）は、LHC-Run3における超対称的信号の検出可能性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• LHC-Run3では、ミュオンg-2の異常を解消するモデルにおいて、68%信頼水準で約700 GeVまで、95%信頼水準で600 GeVまでのチャージンオ質量を探査可能である。
• モデルはスlepton質量を300–800 GeVの範囲で予測し、スタウは最大3 TeVに達する。これにより、チャージンオ–ニュートラリノループによるミュオンg-2への寄与が顕著に増大する。
• LSPニュートラリノと第1/第2家族のスleptonまたはチャージンオを含む共殞化プロセスにより、5σの範囲内でプランクが観測したダークマターの残存密度が満たされる。
• ビノ様LSPおよびウィノ様チャージンオを有する解では、スピン独立型ダークマター散乱断面積が比較的小さく（約10⁻¹⁰ pb）なるため、将来的な直接探査の向上が求められる。
• グルーギノおよびスクォーク質量が3–4 TeVの範囲にまで低下しても、残存密度制約を満たすことができ、LHC-Run3での探査が可能になる可能性がある。
• ミュオンg-2への主な寄与はビノおよびウィノループから生じるが、パラメータ空間の特定の領域ではヒッグスノ様寄与も無視できなくなる。