[논문 리뷰] Complementarity and Searches for Dark Matter in the pMSSM

M. Cahill-Rowley, Randel Cotta외 6명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 26

한 줄 요약

이 논문은 19개의 매개변수를 가진 현상학적 MSSM(pMSSM)에서 충돌기, 직접 및 간접 검출 실험 간의 상호보완성을 평가하며, LHC, 페르미, CTA, 아이스컵, COUPP, XENON1T 실험의 조합이 중성미자 어두운 물질을 가진 모델의 97.4%를 배제함을 보여준다. 특히 14 TeV LHC 제트+에너지손실 검출이 향상된 탐지 범위를 가지며, CTA가 LHC의 운동역학적 탐지 한계를 초월한 무거운 열역학적 잔여 LSP에 대해 고유한 민감도를 보이는 것을 강조한다.

ABSTRACT

The search for and identification of neutralino dark matter in supersymmetry requires a multi-pronged approach with important roles played by collider, direct and indirect dark matter detection experiments. In this report, we summarize the sensitivity of such searches at the 7, 8 (and eventually 14) TeV LHC, combined with those by Fermi, CTA, IceCube/DeepCore, COUPP and XENON1T, to such particles within the context of the 19-parameter p(henomenological)MSSM. This report provides an outline of the current status of our results and our expectations for future analyses.

연구 동기 및 목표

• 19개의 매개변수를 가진 pMSSM를 탐색하는 데 있어 충돌기, 직접 및 간접 어두운 물질 탐지 실험 간의 상호보완성을 평가하는 것.
• 특히 제트+에너지손실을 포함한 7, 8, 14 TeV LHC 검출의 민감도를 평가하여 중성미자 LSP를 가진 pMSSM 모델을 배제하는 데 기여하는지 평가하는 것.
• LHC가 접근할 수 없는 매개변수 공간 영역을 직접(예: XENON1T, COUPP) 및 간접(예: 페르미, CTA, 아이스컵/딥코어) 탐지 실험들이 얼마나 탐지하는지 평가하는 것.
• 관측된 힉스 보존 질량(126 GeV), 열역학적 잔여 밀도 및 낮은 미세조정 조건을 만족하는 pMSSM 모델의 비율을 정량화하고, 이들의 탐지 가능성 평가하는 것.
• LHC 제트+에너지손실 검출이 직접 LSP 결합에 의존하지 않고, 비어두운 물질 서명을 통해 무거운 LSP를 가진 모델을 배제하는 데 수행하는 역할을 규명하는 것.

제안 방법

• 연구는 SOFTSUSY를 사용해 생성한 225,000개의 pMSSM 모델 스캔을 수행하며, 중성미자 LSP를 가진 모델을 제약된 매개변수 범위 내에서 수행하고, SuSpect를 통해 검증한다.
• 모델들은 LHC, 플레이버, 정밀 전자약, 어두운 물질 데이터로부터의 엄격한 제약 조건을 받으며, 이는 잔여 밀도, 미세조정, 직접/간접 탐지 한계를 포함한다.
• 스파르티클의 붕괴 패턴과 힉스 섹터 성질은 검출 가능한 서명을 실험 전반에서 결정하기 위해 수정된 SUSY-HIT를 사용해 계산한다.
• 분석은 LSP 질량 대 스핀-독립적(SI) 교차단면 평면에서 14 TeV LHC 제트+에너지손실 검출, CTA, 페르미, XENON1T, COUPP, 아이스컵/딥코어의 배제 비율을 비교한다.
• 특수한 ~10,000개의 '자연스러운' 모델 집합(질량 m_h = 126±3 GeV, Ω_χh² ≈ Ω_DM, 미세조정 <1%)을 사용해 결과의 견고성 평가를 수행한다.
• 배제 비율은 매개변수 공간 전반에서 계산되며, 통계적 불확실성은 모델 수와 핵심 평면에서의 분할 기반으로 다룬다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8 TeV 데이터의 범위를 초월하는 무거운 중성미자 LSP를 가진 pMSSM 모델을 14 TeV LHC 제트+에너지손실 검출이 얼마나 배제하는가?
• RQ2 CTA와 LHC의 민감도가 pMSSM 매개변수 공간 탐색에서 어떻게 겹치거나 상호보완적인가?
• RQ3 모든 실험의 제약 조건을 통합한 후, 열역학적 잔여 밀도와 정확한 힉스 질량을 가진 pMSSM 모델 중 얼마나 많은 비율이 생존하는가?
• RQ4 직접 탐지 실험(예: XENON1T)이 LHC보다 민감한 매개변수 공간 영역은 어디이며, 그 반대의 경우는 어떻게 되는가?
• RQ5 14 TeV LHC 데이터의 포함이 8 TeV 데이터 대비 전체 배제 범위를 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• 14 TeV LHC 제트+에너지손실 검출은 중성미자 LSP의 탐지 범위를 늘려 운동역학적 한계를 약 700 GeV에서 약 1,400 GeV로 상향 조정한다.
• LHC, CTA 및 직접 탐지 실험의 조합은 중성미자 LSP를 가진 pMSSM 모델의 97.4%를 배제하며, 이는 8 TeV 데이터 기반 63%에서의 수준을 초월한다.
• CTA는 LHC의 탐지 한계를 초월한 무거운 LSP 질량 영역에 대해 민감도를 유지하며, 특히 색을 띠는 스파르티클이 너무 무거워 생성되지 않는 경우에도 윈오 및 힉스이노 LSP에 대해 민감도를 유지한다.
• LHC는 주로 색을 띠는 스파르티클을 포함한 서명을 통해 무거운 LSP를 가진 모델을 배제하며, 직접 LSP 생성에 의존하지 않아 전체 스펙트럼 의존성이 높다는 점을 시사한다.
• LHC에서 탐지되지 않은 모델의 질량이 높아지면서, 간접 탐지(예: CTA)에 의해 배제되는 모델 비율은 41%에서 49%로 증가하였다.
• 모든 검출 실험을 통과하고 열역학적 잔여 밀도를 충족하는 모델은 오직 (공)붕괴하는 빈오 LSP를 가진 것들뿐이며, 이는 어두운 물질 조성에 강력한 제약 조건을 부과한다.