[論文レビュー] Supersymmetric Dark Matter after LHC Run 1

Emanuele Bagnaschi, O. L. Buchmueller+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用数 42

ひとこと要約

本稿は、LHCラン1後のMSSMにおいて、超対称的ダークマター、特に最軽い中性ノイザーが観測された宇宙論的残存密度にどのように達するかを分析している。主なメカニズムとして、ストーの、ストップ、またはチャージンオとの共凝縮、ヒッグス・Zボソン共鳴、ヒッグスィノ成分を特定し、LHCにおけるエネルギー欠損と長寿命粒子の探索、およびLZやDarwinといった直接検出実験が、これらの領域の大部分をプローブ可能であることを示している。共凝縮およびファンネル領域は、相補的なLHCと直接検出戦略によって最も容易に探査可能である。

ABSTRACT

Different mechanisms operate in various regions of the MSSM parameter space to bring the relic density of the lightest neutralino, neutralino_1, assumed here to be the LSP and thus the Dark Matter (DM) particle, into the range allowed by astrophysics and cosmology. These mechanisms include coannihilation with some nearly-degenerate next-to-lightest supersymmetric particle (NLSP) such as the lighter stau (stau_1), stop (stop_1) or chargino (chargino_1), resonant annihilation via direct-channel heavy Higgs bosons H/A, the light Higgs boson h or the Z boson, and enhanced annihilation via a larger Higgsino component of the LSP in the focus-point region. These mechanisms typically select lower-dimensional subspaces in MSSM scenarios such as the CMSSM, NUHM1, NUHM2 and pMSSM10. We analyze how future LHC and direct DM searches can complement each other in the exploration of the different DM mechanisms within these scenarios. We find that the stau_1 coannihilation regions of the CMSSM, NUHM1, NUHM2 can largely be explored at the LHC via searches for missing E_T events and long-lived charged particles, whereas their H/A funnel, focus-point and chargino_1 coannihilation regions can largely be explored by the LZ and Darwin DM direct detection experiments. We find that the dominant DM mechanism in our pMSSM10 analysis is chargino_1 coannihilation: {parts of its parameter space can be explored by the LHC, and a larger portion by future direct DM searches.

研究の動機と目的

• CMSSM、NUHM1、NUHM2、pMSSM10のパラメータ空間において、最軽い中性ノイザーの観測された残存密度を再現する主要なダークマター機構を同定すること。
• これらのモデルにおける各主要なダークマター生成メカニズムに関連する実験的シグナルを特定すること。
• 主要なダークマター生成メカニズムに基づいて、LHCおよび直接ダークマター検出実験における超対称性の探査可能性を評価すること。
• LHC探索（例：運動量欠損、長寿命粒子）と直接検出実験（例：LZ、Darwin）の間の相補性が、MSSMパラメータ空間の異なる領域をどのように探査できるかを評価すること。
• 今後のLHCおよび直接検出結果を、背後にあるダークマター生成メカニズムの観点から体系的に解釈するフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本研究では、CMB測定による残存密度制約（$\Omega_{\rm CDM}h^2 = 0.1186 \pm 0.0020$）を組み込んだ、CMSSM、NUHM1、NUHM2、pMSSM10モデルのグローバルフィットを実施した。
• 質量デゲネラシー領域は、閾値を用いて定義した：$\tilde{\tau}_1$ 共凝縮では $|m_{\tilde{\tau}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.15$、$\tilde{\chi}^{\pm}_1$ 共凝縮では $|m_{\tilde{\chi}^{\pm}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.1$、同様に $\tilde{t}_1$ に対しても適用した。
• ヒッグス・Zボソンを介した共鳴的消失によるファンネル領域は、$m_{\tilde{\chi}^0_1} \approx m_{\rm boson}/2$ を満たすことで同定した。
• LSPに顕著なヒッグスィノ成分がある焦点領域は、$\mu$ および $\tan\beta$ の値によって特定した。
• 各メカニズムに対するLHC探索（例：$E_T$-欠損、長寿命荷電粒子）および直接検出実験（LZ、Darwin）の感度を、モデル固有のシグナル予測を用いて評価した。
• 統計的分析を用いて各領域の検出可能性を評価し、特にコライダーと直接検出実験の間の相補性に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCラン1後のCMSSM、NUHM1、NUHM2、pMSSM10のパラメータ空間において、共凝縮、共鳴的消失、ヒッグスィノ成分のうち、どのメカニズムが支配的か？
• RQ2 これらのメカニズムの実験的シグナルはどのように異なり、LHCにおけるエネルギー欠損および長寿命粒子探索でどの程度容易に探査可能か？
• RQ3 LZ や Darwin といった直接検出実験が、同じパラメータ空間領域をどの程度探査可能か？
• RQ4 各モデルにおける支配的ダークマター生成メカニズムに応じて、超対称性の探査可能性はどのように変化するか？
• RQ5 現在のLHC探索でカバーされていないpMSSM10パラメータ空間の割合はどの程度か？また、将来の直接検出実験でどの程度の領域が探査可能か？

主な発見

• CMSSM、NUHM1、NUHM2において、$|m_{\tilde{\tau}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.15$ を満たす領域では $\tilde{\tau}_1$ 共凝縮が支配的であり、これらの領域はLHCの$E_T$-欠損および長寿命荷電粒子探索によって主にカバー可能である。
• CMSSM、NUHM1、NUHM2における $\tilde{\chi}^{\pm}_1$ 共凝縮および焦点領域は、主にLZ や Darwin といった直接検出実験によって探査可能である。
• これらのモデルにおける $H/A$ ファンネル領域は、重いヒッグスボソンのLHC探索および直接検出実験の両方で探査可能である。
• pMSSM10においては、パラメータ空間の大部分で $\tilde{\chi}^{\pm}_1$ 共凝縮が支配的であり、$\tilde{\tau}_1$ 共凝縮および $h/Z$ ファンネル領域からの寄与は小さい。
• pMSSM10における一部の $\tilde{\tau}_1$ 共凝縮領域は直接検出の範囲外にある可能性があるが、pMSSM10パラメータ空間の大部分は将来の直接検出実験によって探査可能である。
• 本分析では、現在のpMSSM10パラメータ空間のお気に入り領域には長寿命粒子のシグナルは見つからず、LHCの$E_T$-欠損および長寿命粒子探索がその領域では効果的でない可能性があるが、直接検出は依然として極めて重要である。