[논문 리뷰] Is the light neutralino thermal dark matter in the pMSSM ruled out?

Rahool Kumar Barman, G. Bélanger외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 현상학적 MSSM(pMSSM) 프레임워크에서 열로 생성된 어두운 물질로서의 가벼운 중성미온의 가능성에 대해 조사한다. 특히 힉스 보손이 h → χ̃⁰₁χ̃⁰₁로 비가시적으로 붕괴할 수 있는 시나리오에 초점을 맞춘다. LHC 및 LZ 실험의 제약 조건을 고려한 pMSSM 매개변수의 종합적 스캔을 통해, µ > 0일 경우 Z-펌프 영역는 배제되나, µ > 0일 경우나 특히 µ < 0일 경우 higgsino 유사 영역는 유지되며, 향후 데이터로 검출 가능할 수 있음을 발견하였다.

ABSTRACT

We explore the parameter space of the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model (pMSSM) with a light neutralino thermal dark matter ($m_{ ilde{\chi}_1^0} \leq m_h/2$) that is consistent with current collider and astrophysical constraints. We consider both positive and negative values of the higgsino mass parameter ($\mu$). Our investigation shows that the recent experimental results from the LHC as well as from direct detection searches for dark matter by the LUX-ZEPLIN (LZ) collaboration rule out the $Z$-funnel region for the $\mu>0$ scenario. The same results severely restrict the $h$-funnel region for positive $\mu$, however, the allowed points can be probed easily with few more days of data from the LZ experiment. In the $\mu<0$ scenario, we find that very light higgsinos in both the $Z$ and $h$ funnels might survive the present constraints from the electroweakino searches at the LHC, and dedicated efforts from experimental collaborations are necessary to make conclusive statements about their present status.

연구 동기 및 목표

• pMSSM 프레임워크에서 mχ̃⁰₁ ≤ mh/2인 가벼운 중성미온이 열로 생성된 어두운 물질로 가능한지 평가하기 위해.
• 최근 LHC 및 직접 탐지(LZ) 제약 조건이 µ > 0 및 µ < 0인 경우 Z- 및 h-펌프 영역에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현재 실험 제약 조건과 일치하면서도 향후 탐지에 적합한 매개변수 영역를 식별하기 위해.
• 직접 탐지 단면적을 기준으로 타당한 점들을 벤치마킹하고, 향후 LZ 및 LHC 데이터로의 탐지 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 전기약력 스케일에서 M1, M2, µ, tanβ, MA, 제3세대 스쿼크 질량, At, M3를 포함한 10개의 pMSSM 매개변수에 대해 2×10⁸개의 무작위 스캔을 수행하였다.
• Z- 및 h-펌프 영역를 채우기 위해 mχ̃⁰₁이 mZ/2 ± 5 GeV 및 mh/2 ± 3 GeV 범위에 있도록 M1를 동적으로 조정하였다.
• FeynHiggs 2.18.1을 사용하여 이론적 불확실성 3 GeV를 고려한 힉스 질량, 결합 상수 및 비가시적 붕괴 분율을 계산하였다.
• 각 벤치마크 점에 대해 가장 민감한 LHC 및 직접 탐지 분석을 식별하기 위해 SModelS를 적용하였다.
• XGBoost 기반 다변량 분석을 통해 h → ZZ* → 3l + E/T 채널에서 신호 감도를 평가하기 위해 3l + E/T 최종 상태를 활용하였다.
• 미래 ILC 및 CEPC의 비가시적 힉스 붕괴에 대한 감도를 예측하였으며, 특히 µ < 0 시나리오에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 µ > 0일 경우 현재 LHC 및 LZ 제약 조건을 고려할 때, 가벼운 중성미온 열 어두운 물질의 Z-펌프 영역가 살아남을 수 있는가?
• RQ2 µ > 0일 경우 pMSSM에서 가벼운 중성미온 어두운 물질의 h-펌프 영역는 유의미한가? 현재 LZ 직접 탐지 한계에 얼마나 가까운가?
• RQ3 특히 Z- 및 h-펌프 영역에서 µ < 0 시나리오에서 가벼운 higgsino 유사 중성미온의 상태는 어떠한가?
• RQ4 LZ 또는 ILC와 같은 향후 실험들이 pMSSM에서 가벼운 중성미온 어두운 물질의 잔여 타당한 매개변수 공간을 탐지할 수 있는가?
• RQ5 타당한 벤치마크 점의 직접 탐지 단면적은 현재 및 향후 제약 조건과 비교하여 어떻게 되는가?

주요 결과

• µ > 0일 경우 현재 LHC 및 LZ 데이터로 인해 Z-펌프 영역는 배제되나, h-펌프 영역는 µ > ∼850 GeV일 경우에만 유지된다.
• µ < 0 시나리오에서는 Z- 및 h-펌프 영역 모두에서 매우 가벼운 higgsino(125–155 GeV)가 현재 제약 조건을 충족하며, 특히 µ ≈ –124 GeV일 경우 Z-펌프 영역에서 뚜렷하게 유지된다.
• µ > 0 및 µ < 0 모두에서 h-펌프 영역의 벤치마크 점들은 현재 LZ 한계의 12–13% 이내의 스핀-독립 직접 탐지 단면적을 가지며, 몇 일 더의 LZ 데이터로도 탐지 가능할 수 있다.
• µ < 0일 경우 Z-펌프 벤치마크는 매우 낮은 SI 직접 탐지 단면적(0.746 × 10⁻³ pb)을 가지며, 전용 LHC 전약히노 탐사로 가장 쉽게 탐지 가능하다.
• 미래 레프톤 충돌기인 ILC 및 CEPC는 각각 최대 0.4% 및 0.3%의 비가시적 붕괴 분율을 탐지할 수 있으나, µ < 0 케이스에서 허용된 매개변수 공간을 완전히 커버하지 못한다.
• 허용된 µ < 0 영역에서 Z → χ̃⁰₁χ̃⁰₁의 부분 폭은 0.1 MeV 이하로 유지되며, 이는 ILC의 Giga-Z 옵션에 민감하지 않다.