[논문 리뷰] Implications of the 125 GeV Higgs boson for scalar dark matter and for the CMSSM phenomenology

M. Kadastik, Kristjan Kannike외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 125 GeV 힉스 보손이 스칼라 어두운 물질 및 CMSSM에 미치는 영향을 조사하며, 비초대칭 스칼라 어두운 물질 모델에서 진공 안정성이 GUT 스케일까지 연장될 수 있음을 보여준다. CMSSM에서 힉스 질량 제약 조건, 어두운 물질 잔류 밀도 및 (g-2)μ가 겹쳐져 좁은 영역—주로 스넬레프트 공형상소화—를 선택하며, 글루아노, 스토퍼, 스넬레프트의 질량 상관관계를 날카롭게 예측하여 LHC에서 검증 가능할 수 있다.

ABSTRACT

We study phenomenological implications of the ATLAS and CMS hint of a $125\pm 1$ GeV Higgs boson for the singlet, and singlet plus doublet non-supersymmetric dark matter models, and for the phenomenology of the CMSSM. We show that in scalar dark matter models the vacuum stability bound on Higgs boson mass is lower than in the standard model and the 125 GeV Higgs boson is consistent with the models being valid up the GUT or Planck scale. We perform a detailed study of the full CMSSM parameter space keeping the Higgs boson mass fixed to $125\pm 1$ GeV, and study in detail the freeze-out processes that imply the observed amount of dark matter. After imposing all phenomenological constraints except for the muon $(g-2)_μ,$ we show that the CMSSM parameter space is divided into well separated regions with distinctive but in general heavy sparticle mass spectra. Imposing the $(g-2)_μ$ constraint introduces severe tension between the high SUSY scale and the experimental measurements -- only the slepton co-annihilation region survives with potentially testable sparticle masses at the LHC. In the latter case the spin-independent DM-nucleon scattering cross section is predicted to be below detectable limit at the XENON100 but might be of measurable magnitude in the general case of light dark matter with large bino-higgsino mixing and unobservably large scalar masses.

연구 동기 및 목표

• 125 GeV 힉스 보손 질량이 비초대칭 스칼라 어두운 물질 모델에서 진공 안정성에 미치는 영향을 평가하는 것.
• CMSSM 매개변수 공간에 대한 125 GeV 힉스의 현상학적 제약 조건을 연구하며, 특히 어두운 물질 잔류 밀도와 LHC의 타당성과 관련하여 분석하는 것.
• CMSSM 프레임워크 내에서 125 GeV 힉스가 뮤온 이상자기모멘트 (g-2)μ와의 호환성을 평가하는 것.
• 모든 제약 조건—힉스 질량, 잔류 밀도, (g-2)μ—을 동시에 만족하는 CMSSM 영역을 식별하고, 관측 가능한 슈퍼입자 스펙트럼을 예측하는 것.

제안 방법

• 어두운 물질 잔류 밀도의 프리즈아웃 메커니즘을 통해 타당한 영역을 식별하기 위해 힉스 질량을 125±1 GeV로 고정하고 CMSSM 전체 매개변수 공간을 스캔하는 것.
• 직접 탐지, LHC 탐색, 뮤온 (g-2)μ 측정 결과로부터의 제약 조건을 적용하여 타당한 매개변수 공간을 좁히는 것.
• 반복군 방정식을 사용하여 스칼라 싱귤러 및 싱귤러플러스더블렛 어두운 물질 모델에서의 진공 안정성을 평가하는 것.
• 특히 스토퍼 및 스넬레프트 공형상소화 과정을 분석하여 슈퍼입자 질량 상관관계를 결정하는 것.
• 잔류 밀도, 직접 탐지 단면적, (g-2)μ 기여도를 계산하기 위해 세부적인 수치 스캔을 수행하는 것.
• 생존하는 매개변수 영역에서 글루아노, 스토퍼, 스넬레프트의 질량 상관관계를 그려내어 LHC에서 관측 가능한 서명을 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비초대칭 스칼라 어두운 물질 모델에서 125 GeV 힉스 보손이 존재하더라도, 표준모형에서의 안정성 한계보다 낮은 힉스 질량에도 불구하고 GUT 스케일까지 진공 안정성이 유지될 수 있는가?
• RQ2 어떤 CMSSM 영역이 관측된 어두운 물질 잔류 밀도와 125 GeV 힉스 보손 질량을 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ3 125 GeV 힉스를 가진 CMSSM 매개변수 영역에서 뮤온 이상자기모멘트 (g-2)μ 제약 조건은 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 LHC에서 검증 가능한 영역에 속하는 CMSSM에서 글루아노, 스토퍼, 스넬레프트의 질량 상관관계는 예측되는가?
• RQ5 125 GeV 힉스와 (g-2)μ 제약 조건 하에서, 스핀-독립적 어두운 물질-핵자 산란 단면적은 관측 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 비초대칭 스칼라 어두운 물질 모델에서 125 GeV 힉스 보손은 표준모형에서 M_H > 128 GeV 가 필요로 하는 것과 달리 GUT 스케일까지 진공 안정성과 일치한다.
• CMSSM에서 125 GeV 힉스 질량과 정확한 잔류 밀도가 함께 작용하면, 스토퍼 및 스넬레프트 공형상소화 채널을 제외한 모든 영역에서 무거운 슈퍼입자 스펙트럼을 선택한다.
• 3σ 수준에서 (g-2)μ 제약 조건을 적용한 후 유일하게 생존하는 영역은 스넬레프트 공형상소화 영역이며, 이는 슈퍼입자 질량에 대해 날카로운 예측을 가능하게 한다.
• 생존한 스넬레프트 공형상소화 영역은 글루아노, 스토퍼, 스넬레프트 질량 간 선형 상관관계를 예측하여 LHC에서 관측 가능할 수 있다.
• 빈오-히그시노 혼합 비율이 클 경우, 큰 스칼라 질량 조건 하에서도 XENON100에서 스핀-독립적 어두운 물질-핵자 산란 단면적이 관측 가능할 수 있다.
• 어두운 물질이 가벼운 경우, 빈오-히그시노 혼합이 존재하면 CMSSM은 LHC에서 테스트할 수 없지만, 이러한 모델은 여전히 직접 탐지로 조사될 수 있다.