[論文レビュー] SuperWIMP dark matter and 125 GeV Higgs boson in the minimal GMSB

Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|May 25, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノに類似した次期最軽いスーパーパarticle（NLSP）中性レプトンの崩壊によって非熱的に生成される gravitino がダークマター候補である最小ゲージメディエートスーパーシンメトリー破れ（mGMSB）モデルを提案する。tanβ とメッセンジャーレベル数（Nm）を固定した場合、このモデルは125 GeVのヒッグス粒子と観測されたダークマター密度を同時に実現するように、スピン特異スペクトルを一意に決定する。その結果、NLSP質量は1.5–2 TeV、gravitino質量は3–7 GeVとなり、自由行程スケールが約0.1 Mpcであることが判明し、温かいダークマターの制約と整合的である。

ABSTRACT

Recently, both the ATLAS and CMS experiments have observed an excess of events that could be the first evidence for a 125 GeV Higgs boson. We investigate an implication of the CP-even Higgs boson with mass around 125 GeV in the context of the minimal gauge mediated supersymmetry breaking (mGMSB). In mGMSB, gravitino is the lightest sparticle (LSP) and hence the dark matter candidate. We consider the so-called superWIMP scenario where the dark matter gravitino is non-thermally produced by the decay of the next-to-LSP (NLSP) bino-like neutralino after its freeze-out. For a given $ an β$ and the number of the messengers ($N_m$) fixed, we find that the rest of the mGMSB parameters, the SUSY breaking parameter and the messenger scale, are completely fixed by the conditions of simultaneously realizing the observed dark matter abundance and the 125 GeV Higgs boson mass, leading to the NLSP neutralino mass around 1.5-2 TeV and the gravitino mass around 3-7 GeV, depending on the values of $ an β$ and $N_m$. The lifetime of the NLSP is found to be shorter than 1 sec, so that the success of the big bang nucleosynthesis remains intact. The non-thermally produced gravitino behaves as the warm dark matter with the free-streaming scale found to be $λ_{ m FS} \simeq 0.1$ Mpc, whose value is reasonable for observations of the power spectrum on both large and sub-galactic scales in the Universe.

研究の動機と目的

• 観測された125 GeVのヒッグス粒子質量を最小ゲージメディエートスーパーシンメトリー破れ（mGMSB）フレームワークと調和させること。
• gravitino が NLSP の崩壊から非熱的に生成される superWIMP 情報が mGMSB で成立するかを調査すること。
• NLSP の寿命を制限することでビッグバン核合成（BBN）の成功を保証すること。
• 非熱的に生成された gravitino が、宇宙論的観測と整合する自由行程スケールを有する温かいダークマターとして機能するかを評価すること。

提案手法

• SU(5) GUT 表現と SU(5)-不変質量項を有する最小メッセンジャーセクターを使用する。
• SUSY 破れはゲージ相互作用を介して媒介され、ソフト質量は波動関数の正規化としきい値補正から導出される。
• gravitino 質量は m_~G = MΛ/(√3 M_P) で計算され、M_P は縮小されたプランク質量である。
• NLSP 中性レプトンの崩壊は χ̃_B → γ + ~G で記述され、寿命は τ_~B ≈ 0.74 秒 × (m_~G/1 GeV)^2 × (1 TeV/m_~B)^5 で推定される。
• gravitino の自由行程スケールは λ_FS ≈ 2v₀t_EQ(1+z_EQ)^2 × log[√(1 + 1/(v₀²(1+z_EQ)²)) + 1/(v₀(1+z_EQ))], で計算され、v₀ ∝ (m_~B)^(-3/2) に比例する。
• 数値的スペクトル生成には SOFTSUSY 3.3.1 を使用し、パラメータとして M, Λ, tanβ, Nm, および sign(μ) を入力とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mGMSB モデルは、125 GeV のヒッグス粒子と適切なダークマター残存密度を同時に達成できるか？
• RQ2 ビッグバン核合成の成功を保つために、NLSP の寿命に課される制約は何か？
• RQ3 非熱的に生成された gravitino ダークマターは、温かいダークマターの物性と整合する自由行程スケールを有するか？
• RQ4 m_h = 125 GeV および Ω_~G h² = 0.112 という2つの条件によって、SUSY パラメータはどの程度一意に決定されるか？

主な発見

• tanβ と Nm を固定した場合、125 GeV ヒッグス粒子と適切なダークマター残存密度を満たすために、mGMSB パラメータ M と Λ は一意に決定される。
• NLSP 中性レプトン質量は 1.5–2 TeV に制限され、gravitino 質量は 3–7 GeV に制限され、tanβ と Nm に依存する。
• NLSP の寿命は1秒未満であり、ビッグバン核合成と整合的であることが保証される。
• 非熱的に生成された gravitino の自由行程スケールは λ_FS ≈ 0.1 Mpc であり、温かいダークマターが小銀河構造の問題を解決するのと整合的である。
• モデルは125 GeV ヒッグス粒子と残存密度を含む、すべての物性的制約と整合するスピン特異スペクトルを生成する。
• 結果は tanβ と Nm の異なる値に対しても安定しており、2つの物理的条件によってスペクトルは完全に固定される。