[논문 리뷰] Improved $(g-2)_\mu$ Measurement and Singlino dark matter in the general NMSSM

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

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 12인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 일반 NMSSM(GNMSSM)에서 시ング레톤 주도 중성보가 동시에 4.2σ 수준의 뮤온 비례자기모멘트 이상치를 설명하면서도 타당한 암흑물질 후보로 기능할 수 있음을 제안한다. 시ング렛 주도 힉스 보손과 양성자 상호작용 상수 κ를 포함하는 고립된 섹터를 통해, 강한 뉴클레온 산란을 피하면서도 탄생 밀도가 달성되며, 이에 따라 시ング레톤은 약 150 GeV 이상이어야 하며, LHC 및 힉스 데이터와도 일관된다.

ABSTRACT

Very recently, a Fermilab report of muon $(g-2)$ shows a $4.2\sigma$ discrepancy between it and the standard model 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 dark matter (DM) candidate. In this case, singlino DM and singlet-dominated Higgs bosons can form a secluded DM sector with $ ilde{\chi}_1^0 ilde{\chi}_1^0 o h_s A_s$ responsible for the measured abundance by an appropriate Yukawa coupling $\kappa$. This sector communicates with the standard model sector by weak singlet-doublet Higgs mixing, so the scatterings of the singlino-dominated DM with nucleons are suppressed. It is found that the DM must be heavier than approximately $150~{ m GeV}$ to achieve the measured relic density. Compared with the minimal supersymmetric standard model, due to the singlet nature of the DM and the complex mass hierarchy, sparticle decay chains in the GNMSSM are lengthened. These characteristics lead to sparticle detection capability at the Large Hadron Collider (LHC) being rather tricky. This study shows that the theory can readily explain the discrepancy of the muon anomalous magnetic moment without conflicting with the DM, Higgs experimental results, and LHC searches.

연구 동기 및 목표

• 페르미랩에서 관측된 4.2σ 수준의 뮤온 비례자기모멘트 이상치(g-2)μ를 해결하기 위해.
• 일반 NMSSM에서 시ング레톤 주도 중성보가 타당한 암흑물질 후보로 기능할 수 있는지 탐색하기 위해.
• LHC, 힉스 보손 측정, 직접 암흑물질 탐지 실험 제약 조건과의 일관성을 확보하기 위해.
• 고립된 암흑물질 섹터가 힉스 혼합을 통해 표준모형과 어떻게 상호작용하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 시ング레톤 주도 중성보와 시ング렛 주도 힉스 보손(hs, As)으로 구성된 고립된 암흑물질 섹터를 GNMSSM에 도입한다.
• 과정 $\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 가 타당한 탄생 밀도를 생성하도록 양성자 상호작용 상수 κ를 구현한다.
• 약한 시ング렛-드ับ렛 힉스 혼합을 통해 고립된 섹터와 표준모형 섹터 간의 상호작용을 매개한다.
• 복잡한 질량 계단과 암흑물질의 시ング렛 성질로 인해 길어진 스파article 붕괴 체인을 분석한다.
• 뉴클레온 산란이 고립된 섹터 구조로 인해 억제된다는 조건 하에 탄생 밀도 계산을 수행한다.
• 스파article 생성 및 붕괴 패턴을 분석하여 LHC 탐색 및 힉스 보손 데이터와의 호환성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GNMSSM에서 시ング레톤 주도 중성보는 관측된 뮤온 (g-2)μ 이상치를 동시에 설명하면서도 타당한 암흑물질 후보로 기능할 수 있는가?
• RQ2 hs와 As를 포함하는 고립된 암흑물질 섹터가 $\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 과정을 통해 어떻게 타당한 탄생 밀도를 기여하는가?
• RQ3 이 모델에서 뉴클레온 산란의 억제는 시ング레톤 질량에 어떤 제약을 가하는가?
• RQ4 암흑물질의 복잡한 질량 계단과 시ング렛 성질은 LHC에서의 스파article 붕괴 체인에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이 모델은 기존의 LHC 탐색, 힉스 보손 측정, 암흑물질 탄생 밀도 제약 조건과 일관되는가?

주요 결과

• 탄생 밀도가 $\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 과정을 통해 달성되기 위해 시ング레톤 암흑물질는 약 150 GeV 이상이어야 한다.
• 모델은 암흑물질나 힉스 데이터와 충돌하지 않으면서도 4.2σ 수준의 뮤온 비례자기모멘트 이상치를 성공적으로 설명한다.
• 고립된 암흑물질 섹터의 성질로 인해 뉴클레온 산란 단면적은 억제되어 직접 탐지 제약 조건이 감소한다.
• 복잡한 질량 계단과 시ング렛 성질로 인해 스파article 붕괴 체인이 길어져 LHC에서의 탐지가 더 어려워진다.
• 시ング렛과 듀엣 힉스 상태 간의 약한 혼합으로 인해 모델은 LHC 탐색 및 힉스 보손 측정과 일관된다.
• 고립된 섹터에 양성자 상호작용 상수 κ를 포함시킴으로써 타당한 탄생 밀도를 확보하면서도 모든 현재 실험 제약 조건과 호환된다.