[論文レビュー] Supersymmetry with radiatively-driven naturalness: implications for WIMP and axion searches

Kyu Jung Bae, Howard Baer+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、電弱およびQCD系の自然性を統一する放射的駆動型自然なSUSY（RNS）フレームワークを提案し、ダークマターの組成がアキソンに支配的で、付加的にヒッグスチンに類似したWIMP成分が存在する。モデルはDFSZに類似たアキソン機構により強いCP問題を解決し、アキノとサキシオン、WIMPの連立ボルツマン方程式を同時に解く必要がある。その結果、WIMPの存在割合が減少するため検出率が抑制されるが、トンスケールの希土類液体検出器により、全パラメータ空間を探索可能である。

ABSTRACT

By insisting on naturalness in both the electroweak and QCD sectors of the MSSM, the portrait for dark matter production is seriously modified from the usual WIMP miracle picture. In SUSY models with radiatively-driven naturalness (radiative natural SUSY or RNS) which include a DFSZ-like solution to the strong CP and SUSY mu problems, dark matter is expected to be an admixture of both axions and higgsino-like WIMPs. The WIMP/axion abundance calculation requires simultaneous solution of a set of coupled Boltzmann equations which describe quasi-stable axinos and saxions. In most of parameter space, axions make up the dominant contribution of dark matter although regions of WIMP dominance also occur. We show the allowed range of PQ scale f_a and compare to the values expected to be probed by the ADMX axion detector in the near future. We also show WIMP detection rates which are suppressed from usual expectations because now WIMPs comprise only a fraction of the total dark matter. Nonetheless, ton-scale noble liquid detectors should be able to probe the entirety of RNS parameter space. Indirect WIMP detection rates are less propitious since they are reduced by the square of the depleted WIMP abundance.

研究の動機と目的

• MSSMフレームワーク内で電弱系とQCD系の両方の自然性を統一すること。
• 放射的駆動型自然性（RNS）がダークマターの組成に与える影響、特にアキソンとヒッグスチンに類似したWIMPとの相互作用を調査すること。
• 連立ボルツマン方程式を用いて、アキソン、WIMP、アキノ、サキシオンの残存密度を計算すること。
• RNSフレームワーク下での直接検出および間接検出実験におけるWIMPおよびアキソンの検出可能性を評価すること。
• アキソンの崩壊定数 $f_a$ の許容範囲を特定し、特にADMXの今後の感度と比較すること。

提案手法

• ゲージノ質量の統一と、強いCP問題および $μ$ 問題を解決するDFSZに類似たアキソン解を有する放射的駆動型自然なSUSY（RNS）モデルを採用する。
• 準安定なアキノ、サキシオン、WIMPの連立ボルツマン方程式を同時に解き、それらの残存密度を計算する。
• アキソンの歪位メカニズムによる生成、熱的生成、サキシオンの崩壊といった生成メカニズムを含める。
• 重い粒子（例：サキシオン、グラビティーノ）の崩壊による後期のエントロピー注入を考慮し、残存密度の希釈を記述する。
• WIMPの検出断面積を、WIMPの存在割合を反映する係数 $\xi = \Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 / 0.12$ で標準断面積をスケーリングすることで計算する。
• 予測されたWIMPおよびアキソンの信号を、現在および今後の実験的制限（Fermi LATによる間接検出、ADMXによるアキソン探索を含む）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射的駆動型自然なSUSYモデルが強いCP問題を同時に解決する場合、ダークマターの組成はいかなるものか？
• RQ2 アキノ、サキシオン、WIMPの連立ボルツマン方程式が、アキソンおよびWIMPの残存密度に与える影響は何か？
• RQ3 WIMPの直接および間接検出率が、ダークマターに占める寄与が部分的であるために、RNSフレームワークでどの程度抑制されるか？
• RQ4 RNSモデルにおけるアキソンの崩壊定数 $f_a$ の許容範囲は何か？ また、今後の実験感度と比較するとどうなるか？
• RQ5 WIMPの存在割合が減少しているにもかかわらず、トンスケールの希土類液体検出器はRNSの全パラメータ空間を探索可能か？

主な発見

• RNSパラメータ空間の大部分において、アキソンがダークマターの主要成分を占め、WIMPは部分的である。
• WIMPの残存密度は $\xi = \Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 / 0.12$ の因子によって抑制され、直接検出断面積は $\xi$ に、間接検出率は $\xi^2$ に比例して低下する。
• トンスケールの希土類液体検出器は、WIMPの存在割合が減少しても、RNSの全パラメータ空間を探索可能であると予想される。
• ガンマ線や反物質による間接検出は $\xi^2$ 因子のため著しく抑制され、WIMPが支配的でない領域では検出が困難である。
• アキソンの崩壊定数 $f_a$ の許容範囲は制限されており、近い将来のADMX実験の感度範囲と重複している。
• RNS内でのDFSZに類似たアキソン機構により、電弱階層問題と強いCP問題の両方を一貫して解決できる。