[논문 리뷰] CoGeNT, DAMA, and Neutralino Dark Matter in the Next-To-Minimal Supersymmetric Standard Model

John F. Gunion, ~Belikov, Alexander V.외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 경량 중성미자(2–12 GeV)와 큰 스핀-독립 산란 단면적을 가진 초대칭 표준모형의 보조 모델인 다음 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)이 CoGeNT 및 DAMA 암흑물질 신호를 설명할 수 있는지 조사한다. LEP, BaBar, Tevatron 제약 조건을 만족하더라도, 표준 가정 하에 최소 10–20배의 단면적 부족이 발생하며, 핵자 내 s-夸克의 증가 또는 지역 암흑물질 밀도 증가로는 근본적인 개선이 어려운 상황이다.

ABSTRACT

We assess the extent to which the NMSSM can allow for light dark matter in the $2\gev\lsim \mcnone\lsim 12\gev$ mass range with correct relic density and large spin-independent direct-detection cross section, $\sigsi$, in the range suggested by \cogent\ and DAMA. For standard assumptions regarding nucleon $s$-quark content and cosmological relic density, $ρ$, we find that the NMSSM falls short by a factor of about 10 to 15 (3 to 5) without (with) significant violation of the current $(g-2)_μ$ constraints.

연구 동기 및 목표

• NMSSM가 2–12 GeV 범위 내에서 큰 스핀-독립 산란 단면적(σSI)을 가지는 경량 중성미자 어둠물질 후보를 생성할 수 있는지 평가하는 것.
• NMSSM가 우주론적 잔류 밀도 제약, LEP 및 BaBar의 B-물리 제약, 그리고 (g-2)μ 이상현상을 동시에 만족할 수 있는지 결정하는 것.
• NMSSM가 충돌기나 프레임워크 물리 제약을 위반하지 않으면서도, 히긴스 및 토프 분해에 대한 Tevatron 데이터를 고려할 때 요구되는 σSI를 달성할 수 있는지 평가하는 것.
• 핵자 내 s-夸克의 증가 또는 지역 암흑물질 밀도 증가가 요구되는 σSI를 줄이는 데 어떤 영향을 미치는지 탐색하는 것.
• 더 일반적인 시그널 확장 MSSM 모델과 비교하여 NMSSM의 타당성을 평가하는 것. 이 경우 동일한 제약 조건 하에 더 큰 σSI 값이 가능하다.

제안 방법

• 이론적 제약(LEP, BaBar, Tevatron)과 현상학적 제약(잔류 밀도, (g-2)μ)을 조합한 NMSSM의 매개변수 스캔을 수행하였다.
• 중성미자와 핵자 간의 히긴스 교환(특히 최경량 CP-짝성 히긴스 h₁)을 고려한 피카르도 다이어그램을 사용하여, 효과적 결합 h₁χ̃₁χ̃₁를 통한 σSI를 계산하였다.
• 예측된 어둠물질 밀도가 관측된 ΩCDM ≈ 0.3 GeV/cm³와 일치하도록 micrOMEGAs를 사용해 잔류 밀도 계산을 수행하였다.
• 뮤온의 비정상 자기모멘트를 일계 기여를 통해 계산하여 (g-2)μ의 불일치를 평가하였다.
• 특정 프레임워크 물리 제약과 BaBar의 희귀 B 붕괴 데이터를 통해 b→sγ 및 Bs→μ⁺μ⁻ 붕괴 제약를 통합하였다.
• 히긴스 섹터와 혼합 각도를 제약하기 위해 Tevatron 데이터에서 t→h⁺b 및 b̄b+히긴스 생성에 대한 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NMSSM는 2–12 GeV 질량 범위 내에서 CoGeNT 및 DAMA 신호를 설명할 수 있을 정도로 충분한 스핀-독립 중성미자-핵자 산란 단면적(σSI)을 생성할 수 있는가?
• RQ2 LEP, BaBar, Tevatron 제약 조건이 경량 중성미자 어둠물질의 경우 실현 가능한 σSI에 얼마나 제한적인가?
• RQ3 μeff > 0 및 μeff < 0 경우에서 (g-2)μ 이상현상은 큰 σSI를 가지는 NMSSM 시나리오의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 핵자 내 s-夸克의 증가 또는 지역 어둠물질 밀도 증가로 요구되는 σSI를 달성 가능한 수준으로 줄일 수 있는가?
• RQ5 더 일반적인 시그널 확장 모델과 비교했을 때 결과는 어떻게 되며, 추가적인 초대칭 이완항 또는 소프트-브레이킹 항항이 제약 조건을 완화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 표준 가정 하에 핵자 내 s-夸克의 내용과 우주론적 잔류 밀도에 대해 NMSSM는 2–12 GeV 범위 내 경량 중성미자 어둠물질에 대해 요구되는 스핀-독립 단면적(σSI ≈ 1.4–3.5×10⁻⁴ pb)을 달성하지 못한다.
• μeff > 0인 경우, Tevatron 제약 조건을 적용한 후 실현 가능한 최대 σSI는 약 0.14×10⁻⁴ pb로, 요구되는 값보다 10–20배 부족하다.
• μeff < 0인 경우, σSI는 최대 0.6×10⁻⁴ pb까지 도달하나, 이는 요구되는 범위의 약 3–5배 이내이지만, 이러한 시나리오는 실험과 크게 불일치하는 뮤온 (g-2)μ 값을 예측한다.
• s-夸克의 내용을 50% 증가시키고 지역 어둠물질 밀도를 ρ ≈ 0.4–0.485 GeV/cm³로 높여도, 요구되는 σSI는 NMSSM에서 실현 가능한 최대값보다 최소 5배 이상 크다.
• Tevatron에서의 b̄b+히긴스 및 t→h⁺b 붕괴에 대한 제약 조건은 매우 중요하며, 큰 σSI를 위한 타당한 매개변수 공간을 크게 제한한다.
• 결과적으로, 모든 제약 조건을 만족하면서도 요구되는 σSI를 달성하기 위해서는 추가적인 초대칭 이완항 또는 소프트-브레이킹 항항을 포함한 NMSSM의 확장이 필요하며, 이는 동반 연구(벨리코프:2010yi)에서 보여졌다.