[논문 리뷰] LHC Run-3, Dark Matter and Supersymmetric Spectra in the Supersymmetric Pati-Salam Model

Ali Muhammad, Imtiaz Khan외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 25.

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한 줄 요약

이 논문은 mu의 부호 두 가지를 모두 고려한 SUSY Pati-Salam 프레임워크에서 MSSM 현상학을 분석하고, LHC 제약, 힉스 데이터, 다크 물질 잔류 밀도를 점검하며, Run-3 및 향후 실험에서 접근 가능한 코안히힐화(coannihilation) 및 공명 시나리오를 확인한다.

ABSTRACT

Driven by the growing agreement between the experimentally measured muon anomalous magnetic moment and its SM prediction, we reexamine phenomenological consequences of the MSSM, which is embedded in the supersymmetric $SU(4)_C imes SU(2)_L imes SU(2)_R$ Pati-Salam model. In contrast to earlier studies that predominantly favored a specific sign for the Higgsino mass parameter, our analysis systematically explores both $μ> 0$, and $μ< 0$ scenarios in light of current collider, cosmological, and DM constraints. Within this framework, we identify viable parameter space regions where the observed DM relic density is reproduced through multiple mechanisms: co-annihilations involving sbottom-neutralino, gluino-neutralino, stop-neutralino, stau-neutralino, and chargino-neutralino coannihilation, as well as resonant s-annihilation channel via the pseudoscalar Higgs boson. We demonstrate that all such scenarios are consistent with present bounds from LHC supersymmetry searches, the Planck~2018 DM relic density bound, and current limits from DD DM searches. Our results reveal characteristic mass spectra associated with these mechanisms. In particular, sbottom-neutralino coannihilation typically requires sbottom masses near $2.8~ ext{TeV}$, while gluino-neutralino and stop-neutralino coannihilation scenarios allow gluino masses in the range $1$--$3~ ext{TeV}$ and stop masses between $1$ and $3.5~ ext{TeV}$. In coannihilation-dominated regions, the stau and chargino masses may reach values as high as $3.8~ ext{TeV}$, whereas viable $A$ resonance solutions are realized for pseudoscalar Higgs masses spanning approximately $1.6$--$3.8~ ext{TeV}$. We anticipate that a portion of the parameter space will be accessible to supersymmetry searches in LHC Run-3 and future runs.

연구 동기 및 목표

• mu 부호 두 가지에서 SUSY Pati-Salam 모델에서 도출되는 MSSM 현상학을 평가한다.
• 다양한 메커니즘(코안히힐화 및 A-펀넬)을 통해 Planck 2018 다크 물질 잔류 밀도와 일치하는 매개변수 영역을 식별한다.
• LHC SUSY 탐색, 힉스 측정치, 맛 제약, 직접 검출 경계와의 호환성을 보장한다.
• LHC Run-3 및 향후 직접 검출 실험으로 탐지 가능한 영역을 강조한다.

제안 방법

• M_GUT에서 m0, mHu, mHd, A0, M2, M3, tanBeta, sign(mu)로 SUSY Pati-Salam 매개변수 공간을 정의한다.
• M_GUT에서 M1=(3/5)M2+(2/5)M3의 게이지노 질량 관계를 적용하고 unification의 ±3% 이내에서 g3를 변화시키도록 허용한다.
• Metropolis-Hastings MCMC를 사용한 ISAJET 7.85로 REWSB 및 중성광 LSP를 강제하며 매개변수 공간을 스캔한다.
• 실험적 제약 적용: m_h를 [122,128] GeV, 스파트클 질량 한계, B-물리 observables, Planck 2018 잔류 밀도를 5σ 이내로 적용한다.
• 중성광 잔류 밀도가 Ω_CDM h^2 ∈ [0.118,0.126] (Planck 2018 5σ)을 만족하도록 요구한다.
• 다양한 DM 소멸/코안히힐레이션 메커니즘(글루이노-중성광, sbottom-중성광, stop-중성광, stau-중성광, chargino-중성광, 그리고 A-펀넬)을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 실험 제약 하에서 다크 물질 잔류 밀도를 올바르게 예측하는 SUSY Pati-Salam 매개변수 공간의 영역은 어디인가?
• RQ2 코안히힐레이션 채널(글루이노, sbottom, stop, stau, chargino)과 A-펀넬 소멸이 mu<0 및 mu>0에서 가능 영역을 어떻게 채우는가?
• RQ3 유효한 시나리오에서 핵심 스파입클(글루이노, sbottom, stop, stau, charginos)의 예측 질량 범위는 무엇인가?
• RQ4 LHC Run-3 및 향후 직접 검출 실험이 남아 있는 매개변수 공간을 어느 정도까지 탐지할 수 있는가?
• RQ5 mu의 부호가 현 프레임워크의 현상학에 어떤 영향을 미치며 (g-2)_μ 관련성과 바텀 Yukawa 통일에 어떤 영향을 주는가?

주요 결과

• Planck-호환 잔류 밀도를 가진 sbottom-중성광 코안히힐레이션 해법이 존재하며 m_sbottom1이 대략 2.7–3.4 TeV 구간에서 나타난다.
• 글루이노-중성광 및 stop-중성광 코안히힐레이션은 글루이노 및 stop 질량을 각각 대략 1–3 TeV 및 1–3.5 TeV 구간으로 허용한다.
• Stau-중성광 및 chargino-중성광 코안히힐레이션은 NLSP 질량이 약 3.5 TeV까지 가능하고 질량 차이가 작아 유효한 해를 제공한다.
• A-펀넬(A/H 공명) 해법은 m_A가 대략 1.6–3.7 TeV 구간에서 존재하며 현재 제약과 호환된다.
• mu<0 시나리오는 더 가벼운 스펙트럼에서 t-b-τ Yukawa 통일을 실현할 수 있으며 mu>0 영역은 다양 한 코안히힐레이션 및 히즈-공명 DM을 비슷하게 수용한다.
• 생존하는 매개변수 공간의 상당 부분은 LHC Run-3 및 XENONnT, LZ와 같은 향후 직접 검출 실험에 의해 접근 가능할 것으로 예상된다.