[논문 리뷰] Dark Matter in a Constrained NMSSM

C. Hugonie, G. Bélanger외 1명|arXiv (Cornell University)|2007. 07. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 GUT 스케일 경계 조건을 갖는 제약된 다음 최소 초대칭 표준 모형(CNMSSM)에서 어두운 물질을 조사하며, WMAP 데이터와의 잔류 밀도 일치성을 중심으로 다룬다. 가벼운 중성미온(특히 큰 싱글리노 성분을 가진)이 저온에서 스테이터스 또는 빈오/히긴스티노 비재료 상태(NLSP)와의 공형광산화를 통해, 또는 낮은 tan⁡β에서 힉스 공명 분해를 통해 적절한 잔류 밀도를 달성하는 영역을 규명한다. 이는 CMSSM 프레임워크를 초월해 타당한 매개변수 공간을 확장한다.

ABSTRACT

We explore the parameter space of a Constrained Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model with GUT scale boundary conditions (CNMSSM) and find regions where the relic density of the lightest neutralino is compatible with the WMAP measurement. We emphasize differences with the MSSM: cases where annihilation of the LSP occurs via a Higgs resonance at low values of tanβand cases where the LSP has a large singlino component. The particle spectrum as well as theoretical and collider constraints are calculated with NMSSMTools. All neutralino annihilation and coannihilation processes are then computed with micrOMEGAs, taking into account higher order corrections to the Higgs sector.

연구 동기 및 목표

• GUT 스케일 경계 조건을 갖는 제약된 다음 최소 초대칭 표준 모형(CNMSSM)에서 타당한 어둠의 물질 매개변수 공간을 탐색하기 위해.
• 가장 가벼운 중성미온의 잔류 밀도가 WMAP 측정치와 일치하는 영역을 규명하며, 특히 빈오가 아닌 LSP에 중점을 두기 위해.
• 싱글리노 성분과 힉스 공명 분해가 CNMSSM에서 어둠의 물질 잔류 밀도에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 스테이터스, 빈오, 또는 혼합 빈오-히긴스티노 NLSP와의 공형광산화 과정이 싱글리노 LSP 시나리오에서 잔류 밀도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• CNMSSM 예측을 CMSSM과 비교하며, 확장된 힉스 및 중성미온 세트로 인해 가능해진 새로운 현상학적 영역을 강조하기 위해.

제안 방법

• NMSSMTools를 사용하여 초대칭 입자 스펙트럼을 계산하며, 힉스 세트의 고차항 보정 및 이론적/ collider 제약 조건을 포함한다.
• micrOMEGAs를 활용하여 모든 중성미온 분해 및 공형광산화 과정을 포함한 잔류 밀도를 계산한다.
• 스퍼파티클 질량 및 힉스 세트 성질을 결정하기 위해 GUT 스케일에서의 양자역학적 군 방정식(RGEs)을 적용한다.
• GUT 스케일에서 반대칭 소프트-브레이킹 매개변수를 반정규화하며, A₀, Aκ, λ, tan⁡β, M₁/₂의 특정 값들을 설정한다.
• 고정된 λ, tan⁡β, A₀, Aκ에 대해 m₀–M₁/₂ 평면에서 매개변수 공간을 분석하며, 싱글리노 LSP 또는 힉스 공명 분해를 일으키는 영역에 집중한다.
• sign(μ) > 0 및 sign(μ) < 0 시나리오를 모두 고려하지만, 분석은 결과에 큰 영향을 주지 않기 때문에 주로 sign(μ) > 0을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CNMSSM에서 싱글리노가 지배하는 가장 가벼운 중성미온이 WMAP 측정치와 일치하는 잔류 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 스테이터스, 빈오, 또는 혼합 빈오-히긴스티노 NLSP와의 공형광산화 과정이 싱글리노 LSP의 적절한 잔류 밀도를 달성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 낮은 tan⁡β에서 무거운 H/A 스칼라/페이즈 스칼라를 통한 힉스 공명 분해가 CNMSSM 매개변수 공간의 어떤 영역에서 타당한 어둠의 물질 잔류 밀도를 유도하는가?
• RQ4 NMSSM에 단일 필드를 포함함으로써 CMSSM 대비 어둠의 물질 타당 매개변수 공간이 어떻게 변화하는가?
• RQ5 특히 낮은 λ 및 큰 m₀에 대해 이론적 및 collider 물리학 제약 조건이 CNMSSM 매개변수 공간에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• λ ≲ 0.01일 경우, 싱글리노 LSP는 낮은 m₀에서 스테이터스 NLSP와의 공형광산화를 통해, 또는 높은 m₀에서 빈오/히긴스티노 NLSP와의 공형광산화를 통해만 WMAP에 일치하는 잔류 밀도를 달성할 수 있다 (m₀ ≳ 5 TeV).
• 낮은 m₀에서, 질량 차이가 ≤ 3 GeV일 경우 싱글리노 LSP는 스테이터스 NLSP와 공형광산화하며, 이는 WMAP 상한선 이하의 잔류 밀도를 보장한다.
• M₁/₂ ≈ 600 GeV 이며 400 GeV ≤ m₀ ≤ 1000 GeV일 경우, 싱글리노 LSP는 빈오 NLSP와 공형광산화하며, 이는 무거운 H/A 스칼라/페이즈 스칼라 공명을 통해 빠르게 분해된다.
• 높은 m₀에서, 싱글리노 LSP는 혼합 빈오-히긴스티노 NLSP와 공형광산화하며, 이 NLSP 자체는 H/A 공명 또는 W-쌍 채널을 통해 효율적으로 분해된다.
• WMAP에 일치하는 싱글리노 LSP 영역는 이론적으로 금지된 영역으로 확장되지 않으며, 매우 높은 m₀에서 LSP가 힉스티노 유사 상태로 전이되기 때문이다.
• λ ≳ 0.1일 경우, 어떤 tan⁡β에서도 추가로 페르미온 상호작용이 억제되어 보이지 않는 경우가 많지만, 추가로 페시온 스칼라 공명이 가능하다.