[論文レビュー] SUSY Dark Matter: Closing The Parameter Space

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta|ArXiv.org|Oct 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、mSUGRAおよび非一様なSUGRAモデルにおける超対称（SUSY）暗黒物質のコライダーおよび宇宙論的データからの制約を分析する。現在のヒッグス粒子質量の上限、b→sγ崩壊、残存暗黒物質密度、およびミュオンのg−2異常が総合的に作用し、多くのパラメータ空間を除外しており、グルーコン質量の下限が約300–350 GeV、ニュートラリノ質量が120 GeV以上である必要がある。非一様なスフィア破れ項は、検出断面積が増加する領域を再び開く可能性がある。

ABSTRACT

We consider here the constraints in SUGRA models on the SUSY parameter space due to current experimental bounds on the light Higgs mass m_h, the b-> s gamma decay, the amount of neutralino cold dark matter Omega h^2, and the muon magnetic moment. Models with universal soft breaking (mSUGRA) and non-universal gaugino or Higgs masses at M_G are examined. For mSUGRA, the m_h, b->s gamma and Omega h^2 constraints imply a lower bound on the gaugino mass of m_{1/2}>~300GeV implying the gluino and squarks have mass >~700GeV, and the neutralino >~120GeV. The current status of the Brookhaven muon g - 2 experiment is reviewed, and if the Standard Model (SM) contribution evaluated using the e^+ + e^- data is correct, a 2 sigma bound on the deviation of experiment from the SM produces an upper bound on m_{1/2} that eliminates the "focus point" regions of parameter space. Dark matter (DM) detection cross sections range from 5 imes10^{-8} pb to 5 imes10^{-10} pb which would be accessible to future planned detectors. The SUSY decay B_s->μ^+ +μ^- is seen to be accessible to the Tevatron Run 2B with 15 fb^{-1} luminosity for tanbeta >~30. The most favorable signals of SUSY for linear colliders are stau pair production and neutralino pair production, though it will require an 800GeV machine to cover the full parameter space. Non-universal models can modify some of the above results. Thus a non-universal (heavier) gluino mass at M_G can significantly reduce the lower bound constraints of b o s gamma and m_h giving rise to a lighter SUSY spectrum. A heavier up Higgs mass can open an additional region with allowed relic density arising from annihilation via the s-channel Z diagram with an O(10) larger DM detector cross section.

研究の動機と目的

• 現在の実験的データを用いて、mSUGRAおよび非一様SUGRAモデルにおけるSUSYパラメータ空間を制約すること。
• ヒッグス粒子質量、b→sγ崩壊、残存暗黒物質密度、およびミュオン磁気モーメント異常がSUSYパラメータ制限に与える影響を評価すること。
• 直接検出および加速器信号によるニュートラリノ暗黒物質の検出可能性を評価すること。
• 非一様なスフィア破れ項がmSUGRAからの制約に与える影響を調査すること。
• 将来のコライダーおよび暗黒物質検出実験が残存するパラメータ空間をどのように探査できるかを特定すること。

提案手法

• SUSYの素性をモデル化するため、4つのパラメータ（m₀, m₁/₂, A₀, tanβ）と1つの符号を有するmSUGRAを用いる。
• LEPによるヒッグス粒子質量の上限（mₕ > 111 GeV）、b→sγの分支比（1.8–4.5×10⁻⁴）、およびCMBから導かれるΩ_CDMh²（0.07–0.21）の制約を適用する。
• ブルークヘンのE821実験によるミュオンg−2の結果（2σのずれ：Δa_μ = 33.9×10⁻¹⁰）を用い、SUSY寄与の制約を加える。
• 熱的凍結アウト機構を用いてニュートラリノの残存密度を評価し、スタウの共凝縮およびZボソンsチャンネルの消失過程を含む。
• 有効場理論およびフェルミオンダイアグラムを用いて、直接検出断面積σ_χ¹⁰−pを分析する。
• GUTスケールにおける非一様なゲージノおよびヒッグス質量を検討し、mSUGRA制約の頑健性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 mₕ、b→sγ、Ω_CDMh²、およびa_μがmSUGRAパラメータ空間に与える統合的制約は何か？
• RQ2 現在のミュオン磁気モーメント異常の上限が、mSUGRAにおける「フォーカスポイント」領域の妥当性に与える影響は何か？
• RQ3 非一様なスフィア破れ質量が、m₁/₂の下限および暗黒物質検出断面積に与える影響は何か？
• RQ4 m₀–m₁/₂平面のどの領域で残存密度が観測と整合的であり、それに対応する検出率は何か？
• RQ5 TevatronまたはNLCは、制約付きパラメータ空間において、B_s→μ⁺μ⁻やスタウ／ニュートラリノ対生成のような主要なSUSY信号を観測可能か？

主な発見

• mSUGRAパラメータ空間は強く制約されており、mₕ > 111 GeV、b→sγ、およびΩ_CDMh²の制約を満たすためにはm₁/₂ > 300 GeVである必要がある。
• ニュートラリノ質量はm_χ̃¹⁰ > 120 GeV、グルーコンはm_~g > 750 GeV、チャージノはm_~χ±¹ > 240 GeVに制限される。
• e⁺e⁻ベースの標準模型によるハドロン真空極化の評価が正しいと仮定すると、a_μの2σの上限は、大きなm₀における「フォーカスポイント」領域を排除する。
• 暗黒物質の直接検出断面積は5×10⁻⁸ pbから5×10⁻¹⁰ pbの範囲にあり、次世代の検出器で検出可能である。
• B_s→μ⁺μ⁻崩壊は、Tevatron Run 2Bで15 fb⁻¹の統計量を有し、tanβ > 30の場合に観測可能である。
• 非一様なヒッグス質量は、Z-sチャンネルの消失率を増加させ、高m₀および低m₁/₂の領域に新たな暗黒物質領域を開く。この領域では、スタウ共凝縮領域と比較して検出断面積が最大10倍まで増加する可能性がある。