[논문 리뷰] Dark matter, fine-tuning and $(g-2)_μ$ in the pMSSM

Melissa van Beekveld, W. Beenakker외 2명|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2021. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 관측된 암흑물질 잔류 밀도, 뮤온의 비정상 자석모멘트 불일치($(g-2)_\mu$), 그리고 LHC 및 직접 탐지 제약 조건을 동시에 만족하는 현상학적 MSSM(pMSSM)에서 최소한의 미세조정을 필요로 하는 슈퍼대칭 스펙트럼을 규명한다. 분석 결과, 스핀 의존성 암흑물질-핵자 산란 실험인 PICO-500은 특히 낮은 전자기적 미세조정과 빈티브-유사 LSP를 가진 해를 모두 탐지할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper we analyze spectra in the phenomenological supersymmetric Standard Model that simultaneously result in the right dark-matter relic density $Ω_{ m DM} h^2$, offer an explanation for the $(g-2)_μ$ discrepancy $Δa_μ$ and are minimally fine-tuned. We discuss the LHC phenomenology resulting from these spectra and the sensitivity of dark-matter direct detection experiments to these spectra. We find that the latter type of experiments with sensitivity to the spin-dependent dark-matter-nucleon scattering cross section $σ_{ m SD,p}$ will probe all of our found solutions.

연구 동기 및 목표

• 관측된 암흑물질 잔류 밀도 $\Omega_{\rm DM}h^{2}$, $(g-2)_\mu$ 불일치, LHC 제약 조건을 동시에 만족하는 pMSSM 내 슈퍼대칭 스펙트럼을 규명하는 것.
• 모델의 매개변수 공간을 전자기적 미세조정($\Delta_{\rm EW}$)이 최소화된 스펙트럼으로 제약하는 것.
• 유의미한 스펙트럼의 LHC 현상학 및 직접 탐지 감도를 평가하는 것, 특히 스핀 의존성 산란에 중점을 두어.

제안 방법

• 19개의 자유 매개변수를 가진 현상학적 MSSM(pMSSM)를 사용하며, 첫 번째 및 두 번째 세대 스퍼펌이온 질량이 일치하고 경량 세대의 삼중항 상호작용 계수가 0으로 가정한다.
• 차가리노 및 뉴트랄리노의 한계 상호작용을 포함한 1차 고리 기여를 통해 뮤온의 비정상 자석모멘트 $a_\mu$를 계산한다. 이때 힉스 및 힉스ино 교환 기여도 포함.
• 잔류 밀도 $\Omega_{\rm DM}h^{2}$ 는 coannihilation 및 s-채널 공명을 고려한 micrOMEGAs를 통해 계산한다.
• 전자기적 미세조정은 Higgs 질량이 소프트 브레이킹 매개변수에 대한 상대 감도의 최대값으로 정의된 $\Delta_{\rm EW}$ 측정치로 정량화한다.
• LHC 제약 조건은 특히 $\widetilde{\chi}^{0}_{2}\widetilde{\chi}^{\pm}_{1}$ 최종 상태를 포함한 기존의 차가리노 및 뉴트랄리노 탐지 검색 결과를 활용하여 적용한다.
• 직접 탐지 단면적 $\sigma_{\rm SD,p}$ 와 $\sigma_{\rm SI,p}$ 는 계산하여 PICO-40L 및 PICO-500의 예상 감도와 비교한다.

Figure 1 : The mass of the DM particle ( $m_{\widetilde{\chi}^{0}_{1}}$ ) vs the velocity-weighted annihilation cross section ( $\langle\sigma v\rangle$ ). The value of $\Delta_{\rm EW}$ is shown as a color code on the left, where the points are ordered such that spectra with lower values of $\Delta

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 pMSSM 스펙트럼이 동시에 정확한 암흑물질 잔류 밀도, $(g-2)_\mu$ 이질현상, LHC 제약 조건을 만족하며 전자기적 미세조정이 최소화되는가?
• RQ2 가장 가벼운 슈퍼대칭 입자(LSP)의 구성이 스핀 의존성 암흑물질-핵자 산란 단면적 $\sigma_{\rm SD,p}$ 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 향후 직접 탐지 실험, 예를 들어 PICO-500은 파arameter space 내에서 규명된 유의미한 해들에 대해 어느 정도 감도를 가지는가?
• RQ4 coannihilation 메커니즘과 공명 영역은 모델의 잔류 밀도와 미세조정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 LSP 내 힉스ино 성분은 $(g-2)_\mu$ 교정 및 미세조정에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모든 유의미한 스펙트럼에서 LSP는 빈티브-유사이며 힉스ино 성분이 매우 작다. 이는 $\sigma_{\rm SD,p}$ 와 전자기적 미세조정 $\Delta_{\rm EW}$ 사이에 강한 상관관계를 유도한다.
• 모든 해에서의 최소 전자기적 미세조정 $\Delta_{\rm EW}$ 는 약 14.2이며, 최대 100까지 변동한다.
• 스핀 의존성 직접 탐지 실험, 예를 들어 PICO-500은 $\Delta_{\rm EW} < 62$ 인 모든 해를 탐지할 수 있으며, LUX-ZEPLIN은 $\Delta_{\rm EW} < 100$ 인 모든 해를 배제할 수 있다.
• LHC 검색은 가벼운 $\widetilde{\chi}^{0}_{2}/\widetilde{\chi}^{\pm}_{1}$ 상태와 상당한 윈오 성분을 가진 스펙트럼에 가장 민감하지만, 일반적인 빈티브-힉스ино 영역에서는 탐지 범위가 제한된다.
• 가벼운 스테우와의 coannihilation는 LHC 검색에 특히 도전적이며, 질량이 일치하지 않는다는 가정 없이도 $\widetilde{\tau}^{\pm}$ 탐지 전용 검색이 필요하다는 것을 시사한다.
• $\Delta a_\mu$ 를 설명하기 위한 요구 조건은 약 600 GeV의 무거운 힉스ино 성분을 가진 LSP를 배제하며, 이는 $\sigma_{\rm SD,p}$–$\Delta_{\rm EW}$ 상관관계를 제약한다.

Figure 2 : The mass difference between the DM particle and the lightest chargino (left), lightest smuon (middle) and lightest stau (right) versus the mass of the heavier particle. The color code represents the dominant early-universe annihilation channel.