[논문 리뷰] Improved $(g-2)_μ$ measurement and singlino dark matter in $μ$-term extended $\mathbb{Z}_3$-NMSSM

Junjie Cao, Jingwei Lian외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 $\mu$-항을 포함한 $Χ_3$-NMSSM 모형을 제안하여 뮤온의 비정상 자기모멘트 $(g-2)_\mu$ 에서 관측된 $4.2\sigma$의 불일치를 동시에 설명하고, 타당한 싱글리노 지배의 어둠성 물질 후보를 제공한다. 이 모형은 $m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$ 이며 $\kappa \sim 0.2$ 인 조건에서 은폐된 어둠성 영역에서 효율적인 $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 붕괴를 가능하게 하여 이를 달성하며, 빌드된 입자 산란을 억제하고 장수하는 스퍼티클 붕괴 체인으로 인해 LHC 제약 조건을 회피한다.

ABSTRACT

Very recently, a Fermilab report of muon $g-2$ showed a $4.2σ$ discrepancy between it and the standard model (SM) prediction. Motivated by this inspiring result and the increasing tension in supersymmetric interpretation of the anomalous magnetic moment, it is argued that in the general next-to-minimal supersymmetric standard model (GNMSSM), a singlino-dominated neutralino can act as a feasible dark matter (DM) candidate in explaining the discrepancy naturally. In this case, the singlino-dominated DM and singlet-dominated Higgs bosons can form a secluded DM sector with $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o h_s A_s$ responsible for the measured DM relic abundance. when $m_{ ildeχ_1^0} \gtrsim 150~{ m GeV}$ and the Yukawa coupling $κ$ is around $0.2$. This sector communicates with the SM sector by weak singlet-doublet Higgs mixing, so the scatterings of the singlino-dominated DM with nucleons are suppressed. Furthermore, due to the singlet nature of the DM and the complex mass hierarchy, sparticle decay chains in the GNMSSM are lengthened in comparison with the prediction of the minimal supersymmetric standard model. These characteristics lead to sparticle detection at the Large Hadron Collider (LHC) being rather tricky. This study surveys a specific scenario of the GNMSSM, which extends the $\mathbb{Z}_3$-NMSSM by adding an explicit $μ$-term, to reveal the features. It indicates that the theory can readily explain the discrepancy of the muon anomalous magnetic moment without conflicting with the experimental results in DM and Higgs physics, and the LHC searches for sparticles.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 뮤온의 비정상 자기모멘트 $(g-2)_\mu$ 에서 지속적인 $4.2\sigma$ 불일치를 설명하기 위해.
• 유령 밀도, 직접 탐지 및 LHC 제약 조건과 일치하는 GNMSSM 내에서 타당한 어둠성 물질 시나리오를 탐색하기 위해.
• 싱글리노 지배의 중성보가 $\Delta a_\mu$ 를 실험 데이터와 충돌하지 않도록 자연스럽게 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• $\mathbb{Z}_3$-NMSSM에 명시적인 $\mu$-항을 추가함으로써 스퍼티클 현상학과 $(g-2)_\mu$ 및 어둠성 물질 제약 조건과의 호환성에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 연구는 특정한 GNMSSM의 변형인 명시적인 $\mu$-항을 포함한 모형, 즉 $\mu$ NMSSM를 활용하여 $\Delta a_\mu$, 어둠성 물질의 유령 밀도 및 LHC 제약 조건 간의 상호작용을 분석한다.
• LHC 런-II에서의 초대칭 탐색 결과를 해석하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하며, ATLAS 및 CMS의 단순화된 모델 위상에 중점을 둔다.
• 모형은 $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 붕괴 채널이 $m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$ 조건에서 어둠성 영역 내에서 정확한 어둠성 물질의 유령 밀도를 설명할 수 있도록 하는 은폐된 어둠성 영역에 의존한다.
• 이론적 제약 조건은 SModelS 1.2.3를 통해 적용되어, 다양한 최종 상태에 대한 단면적 상한선과 효율성 지도를 사용하여 LHC 탐색 결과를 재해석한다.
• 모델의 타당성을 테스트하기 위해 스핀 독립 및 스핀 의존 직접 탐지 제약 조건, 힉스 보존 결합 측정치를 포함한다.
• 어둠성 물질의 정확한 유령 밀도와 $\Delta a_\mu$ 를 달성하기 위해 핵심적인 역할을 하는 양자수 $\kappa \sim 0.2$ 가 확인된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모델의 $\mu$ NMSSM에서 싱글리노 지배 중성보가 관측된 $(g-2)_\mu$ 불일치를 어둠성 물질의 유령 밀도 제약 조건과 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 명시적인 $\mu$-항이 $\mathbb{Z}_3$-NMSSM에 포함될 경우, 어둠성 물질 후보로서 가장 가벼운 중성보의 현상학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 LHC에서 초대칭 입자를 위한 탐색 결과가 $\Delta a_\mu$ 의 맥락에서 $\mu$ NMSSM의 매개변수 공간에 얼마나 강한 제약을 가하는가?
• RQ4 은폐된 $h_s A_s$ 붕괴 채널이 직접 탐지 신호를 유발하지 않으면서도 정확한 어둠성 물질의 유령 밀도를 달성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 모형에서 억제된 결합과 장수하는 스퍼티클 붕괴 체인이 LHC에서 초대칭 입자의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $\mu$ NMSSM 모형은 어둠성 물질의 유령 밀도와 충돌하지 않으면서도 $(g-2)_\mu$ 에서 관측된 $4.2\sigma$ 불일치를 성공적으로 설명한다.
• $m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$ 이며 $\kappa \sim 0.2$ 인 조건에서, $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 붕괴 채널이 은폐된 어둠성 영역 내에서 자연스럽게 정확한 어둠성 물질의 유령 밀도를 생성한다.
• 어둠성 물질의 단순성과 복잡한 질량 계단 구조로 인해 뉴클레온 산란 단면적이 억제되어 직접 탐지 제약 조건을 회피한다.
• 복잡한 질량 계단 구조로 인해 스퍼티클의 장수 붕괴 체인이 발생하여 LHC에서 초대칭 입자의 탐지가 상당히 어려워진다.
• SModelS를 통한 단순화된 모델 해석 결과, LHC 제약 조건이 이 시나리오에서 완화되어 현재 실험 제약 조건을 충족하는 것으로 나타났다.
• 모형은 힉스 보존 측정치와도 일치하며 기존의 힉스 물리학 데이터와의 긴장이 발생하지 않는다.