[논문 리뷰] Is light neutralino as dark matter still viable?

Daniel T. Cumberbatch, Daniel E. López-Fogliani외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 33인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 MSSM 및 NMSSM에서 어두운 물질 후보로써의 가벼운 중성보의 타당성을 재평가하며, 연속적인 2σ 실험적 제약 조건—재현 밀도, 콜라이더 한계(LHC, Tevatron), 그리고 플레이버 물리학($BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$ 포함)—을 중첩 샘플링과 딱딱한 컷을 통해 적용한다. 그 결과, 7–9 GeV 질량 범위에서 스핀-독립 산란 단면적 $\sigma^\text{SI} > 10^{-5}$ pb인 타당한 점들이 모든 제약 조건을 통과하지 못하며, 이는 가벼운 중성보가 엄격한 모델 일관성 하에서 CoGENT 및 DAMA 데이터와 호환되지 않음을 시사한다.

ABSTRACT

Motivated by the recent re-confirmation by CoGENT of the low-energy excess of events observed last year, and the recent improved limits from the XENON-100 experiment that are in contention with the CoGENT data, we re-examine the low mass neutralino region of the Minimal Supersymmetric Standard Model and of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, both without assuming gaugino mass unification. We make several focused scans for each model, determining conservative constraints on input parameters. We then determine how these constraints are made increasingly stringent as we re-invoke our experimental constraints involving the dark matter relic abundance, collider constraints from LEP and the Tevatron, and then from flavour physics, as a series of successive 2 sigma hard cuts. We find that for both models, when all relevant constraints are applied in this fashion, we do not generate neutralino LSPs that possess a spin-independent scattering cross section in excess of 10^-5 pb and a mass ~7 GeV < m_chi < ~9 GeV that is necessary in order to explain the CoGENT observations.

연구 동기 및 목표

• CoGENT의 저에너지 초과와 DAMA의 연간 조절 현상에 기반하여 MSSM 및 NMSSM에서 7–9 GeV 범위의 가벼운 중성보가 어두운 물질 후보로 타당한지 평가하기 위해.
• 그러한 가벼운 중성보가 XENON-100의 직접 탐지 데이터와 조화를 이룰 수 있는지 테스트하기 위해.
• 재현 밀도, 콜라이더 한계(LHC, Tevatron), 플레이버 물리학($BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$ 포함)를 포함한 점점 더 엄격한 실험 제약 조건을 2σ 딱딱한 컷으로 체계적으로 적용하기 위해.
• MSSM 및 NMSSM에서 미세조정된 매개변수 영역이 CoGENT 관측 결과를 설명할 수 있을 정도로 충분히 큰 스핀-독립 산란 단면적을 생성할 수 있는지 결정하기 위해.
• NMSSM의 확장된 힉스 보존이 더 가벼운 LSP와 타당한 어두운 물질를 가능하게 하되, 실험적 제약 조건을 위반하지 않는 방식으로 작용하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• SuperBayeS 및 NMSPEC 패키지 내 Multinest 알고리즘을 사용하여 MSSM 및 NMSSM의 저질량 중성보 영역에서 집중적인 중첩 샘플링(NS) 스캔을 수행한다.
• 우주배경복사와 일치하는 재현 밀도, LEP 및 Tevatron의 치아린오/중성보 한계, $BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$ 한계를 포함한 실험 제약 조건을 우도 함수에 적용한다.
• 순차적인 2σ 딱딱한 컷을 적용한다: (1) 재현 밀도, (2) 콜라이더 제약 조건(LHC, Tevatron), (3) 플레이버 물리학 및 $(g-2)_\mu$ 제약 조건.
• 경량 LSP를 허용하기 위해 게이지 질량 통일성을 완화하고, 특히 NMSSM에서 바이노-유사 및 바이노-싱글리노 혼합 LSP를 탐색한다.
• 최소 플레이버 위반(MFV)을 사용하여 $\chi Hp$ 결합을 제약하고, 특히 $\tan\beta$ 및 $BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$에 민감한 영향을 분석한다.
• 스핀-독립(SI) 산란 단면적 $\sigma^\text{SI}_p$를 평가하고, XENON-100의 직접 탐지 한계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSSM 및 NMSSM에서 $m_\chi \in [7,9]$ GeV 범위의 가벼운 중성보가 CoGENT의 저에너지 초과와 DAMA의 연간 조절 현상을 $\sigma^\text{SI}_p \sim 10^{-41} - 10^{-40}$ cm²로 설명할 수 있는가?
• RQ2 재현 밀도, 콜라이더 한계, 플레이버 물리학에 대한 순차적인 2σ 딱딱한 컷이 MSSM 및 NMSSM의 타당한 매개변수 공간을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 NMSSM의 확장된 힉스 보존은 더 가벼운 LSP를 가능하게 하면서도 LEP 및 플레이버 제약 조건을 회피할 수 있는가?
• RQ4 $BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$ 및 $(g-2)_\mu$ 제약 조건이 $\chi Hp$ 결합을 얼마나 억제하고, 그로 인해 $\sigma^\text{SI}_p$가 어떻게 감소하는가?
• RQ5 XENON-100 한계를 포함한 모든 제약 조건을 적용한 후에도 7–9 GeV 범위에서 $\sigma^\text{SI}_p > 10^{-5}$ pb인 점들이 여전히 타당한가?

주요 결과

• MSSM 및 NMSSM 양쪽 모두에서 7–9 GeV 질량 범위에서 스핀-독립 산란 단면적이 $10^{-5}$ pb를 초과하는 타당한 점들이 모든 제약 조건을 통과하지 못한다.
• 특히 최소 플레이버 위반 하에서 $\tan\beta$가 클수록 $BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$ 한계가 강하게 $\chi Hp$ 결합을 억제하며, 많은 경우 $\sigma^\text{SI}_p$가 $\lesssim 10^{-6}$ pb 수준으로 제한된다.
• NMSSM에서 $\sigma^\text{SI}_p \sim 2 \times 10^{-5}$ pb 수준의 점들조차도 모든 컷을 적용한 후 플레이버 제약 조건 또는 XENON-100 한계에 의해 배제된다.
• NMSSM에서는 경량 LSP($m_\chi \lesssim 15$ GeV)가 $s$-채널 $h_1$ 공명 붕괴를 통해 적절한 재현 밀도를 달성할 수 있으며, 이는 단일성 유사 경량 힉스와 $A_\lambda$ 또는 $A_\kappa$의 미세조정이 필요하다.
• $m_\chi \gtrsim 15$ GeV인 경우, $t$-채널 스레프톤 교환 또는 페시터 힉스 붕괴를 통해 적절한 재현 밀도를 달성할 수 있지만, 이러한 점들은 XENON-100 또는 플레이버 제약 조건에 의해 배제된다.
• XENON-100의 비관측 결과와 엄격한 플레이버 물리학 제약 조건의 조합은 MSSM 및 NMSSM에서의 가벼운 중성보가 어두운 물질일 가능성에 대해 CoGENT 및 DAMA 데이터와의 일관성을 상실하게 한다.