[논문 리뷰] Dark Matter Detection Rates In SUGRA Models

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta|ArXiv.org|2001. 12. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 중성미자-질량자 산란을 통한 직접 탐지에 초점을 맞춰 R-대칭을 보존하는 SUGRA 모델에서 암흑물질 탐지율을 조사한다. 최소한의 mSUGRA 모델은 낮은 단면적 때문에 DAMA 데이터를 설명할 수 없지만, 힉스 및 제3세대 소프트-breaking 항목이 강화된 비일반적인 SUGRA 모델은 tanβ > 15 및 mχ̃₀₁ > 80 GeV 조건에서 DAMA에서 관측된 범위의 단면적을 달성할 수 있으며, 향후 탐지기가 muon g-2 이질현상이 확인된다면 전체 타당한 매개변수 공간을 탐사할 것으로 예상된다.

ABSTRACT

Direct detection of Milky Way wimps are discussed within the framework of R-parity conserving SUGRA models with grand unification at M_G. Two questions are discussed: what SUGRA models can account for the DAMA data if this data is confirmed, and is the full SUGRA parameter space accessible to future planned detectors. Experimental constraints of the Higgs mass bound, the b-> sγbound, relic density constraints (including all co-annihilation channels), etc. are imposed. In addition, the effect of the possible muon g - 2 anomaly are examined. For mSUGRA, we find that the Higgs mass and b o sγconstraint puts a lower bound m_{1/2} > (300 - 400) GeV (i.e. m_{ ildeχ^0_1} > (120 - 160) GeV) for anβ< 50, and thus the largest theoretical neutralino-proton cross sections still lie significantly below the DAMA 3σlower bound. (Predictions for anβ> 50 become sensitive to the precise value of m_t and m_b.) If in addition one imposes the muon anomaly constraint, μmust be positive and an upper bound of m_{1/2}< 850 GeV for anβ< 50 is obtained. More generally, if μ>0 and m_{1/2} < 1 TeV, the cross sections are >~ 10^{-10} pb, and hence this parameter space would be mostly accessible to planned high sensitivity detectors. For non-minimal SUGRA models, the cross sections can be considerably larger, and a simple SU(5) model with non-universal soft breaking in the Higgs and third generation is seen to give cross sections in the DAMA range for anβ>~ 15 with m_{ ildeχ^0_1} > 80 GeV, and minimum cross sections >~10^{-10} pb for μ> 0.

연구 동기 및 목표

• R-대칭을 보존하는 SUGRA 모델이 DAMA 연간 조절 신호(암흑물질 탐지로 해석됨)를 설명할 수 있는지 확인하는 것.
• 향후 직접 탐지 실험들이 SUGRA 모델의 전체 타당한 매개변수 공간을 탐사할 수 있는지 평가하는 것.
• 이론적 제약 조건—히긴스 보손 질량, b→sγ, 잔여 밀도 및 뮤온 g-2 이질현상—이 중성미자 탐지 단면적에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 최소한의 mSUGRA와 비최소적 SUGRA 모델 간의 예측을 비교하는 것.

제안 방법

• 연구는 MG ≈ 2×10¹⁶ GeV에서의 대역일관성과 중력 매개 초대칭 붕괴를 사용하여 R-대칭을 보존하는 SUGRA 모델을 적용한다.
• 소프트-브레이킹 매개변수를 MG에서 약한 스케일로 레이놀즈 군 방정식(RGEs)을 사용하여 진화시키며, 고리 보정 및 비일반적인 δi 매개변수를 포함한다.
• 중성미자-질량자 스핀-독립적 단면적에 대한 이론적 예측을 계산하며, 공존형 화학 반응 채널과 잔여 밀도 제약 조건을 포함한다.
• 실험적 제약 조건—LEP 힉스 질량 한계(mh > 114 GeV), b→sγ 분해율, 잔여 밀도—는 타당한 매개변수 공간을 제한한다.
• 뮤온 g-2 이질현상은 제약 조건으로 포함되며, μ > 0여야 하며 m₁/₂와 tanβ에 대한 제약 조건을 부과한다.
• 히긴스 및 제3세대 부문에서 비일반적인 소프트-항목을 가진 최소한의 SU(5) GUT 모델을 사용하여 증가된 단면적을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 만약 DAMA 연간 조절 신호가 확인된다면, R-대칭을 보존하는 mSUGRA 모델이 이를 설명할 수 있는가?
• RQ2 SUGRA 모델에서 중성미자-질량자 단면적의 이론적 최저 예측치는 무엇이며, 향후 탐지기가 이를 탐지할 수 있는가?
• RQ3 히긴스 질량, b→sγ, 잔여 밀도 및 뮤온 g-2 이질현상 제약 조건이 SUGRA 모델의 타당한 매개변수 공간에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 비최소적 SUGRA 모델에서 비일반적인 소프트 브레이킹 항목이 DAMA에서 관측된 범위의 단면적을 생성할 수 있는가?
• RQ5 뮤온 g-2 이질현상은 SUGRA 매개변수 공간을 추가로 제약하고 LSP 탐지 가능성은 향상시키는가?

주요 결과

• mSUGRA에서 힉스 질량과 b→sγ 제약 조건은 m₁/₂ > 300–400 GeV의 하한을 부과하며, 이는 mχ̃₀₁ > 120–160 GeV로 이어지고, tanβ < 50일 경우 중성미자-질량자 단면적이 DAMA 3σ 하한 이하로 크게 낮아진다.
• tanβ > 50일 경우 예측치는 mt와 mb의 정확한 값에 민감해지지만, 표준 mSUGRA 프레임워크 내에서는 여전히 DAMA의 하한 이하로 남아 있다.
• 만약 뮤온 g-2 이질현상이 확인된다면, μ는 양수여야 하며 tanβ < 50일 경우 m₁/₂ < 850 GeV여야 하며, 이는 타당한 매개변수 공간을 축소시키고 최소 단면적을 약 10⁻¹⁰ pb로 증가시킨다.
• μ > 0 및 m₁/₂ ≤ 1 TeV 조건에서 mSUGRA에서 단면적은 약 10⁻¹⁰ pb를 초과하며, 이는 향후 고감도 탐지기가 탐지 가능한 범위에 들어간다.
• 히긴스 및 제3세대 부문에서 비일반적인 소프트 브레이킹 항목을 가진 비최소적 SUGRA 모델에서는 tanβ > 15 및 mχ̃₀₁ > 80 GeV 조건에서 단면적이 DAMA 범위에 도달한다.
• 이 비최소적 모델들은 δi 매개변수를 통해 mA를 낮춰 A-채널 고리 반응을 가능하게 하며, 낮은 tanβ에서도 잔여 밀도 제약 조건을 충족시키고 큰 단면적을 달성한다.