[논문 리뷰] Light Neutralino Dark Matter in the pMSSM: Implications of LEP, LHC and Dark Matter Searches on SUSY Particle Spectra

B. Bilki, M. Battaglia외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 11.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 89인용 수 34

한 줄 요약

이 연구는 19개 자유 매개변수를 가진 현상학적 MSSM(pMSSM)에서 빛의 중성차입 입자 어둠료 물질 시나리오를 고도수 스캔을 통해 분석하여 LEP, LHC, 직접/간접 어둠료 물질 탐지 및 플레이버 물리 제약 조건과 일치하는 타당한 모델을 규명한다. 주요 발견은 모든 제약 조건을 만족할 때 유일하게 타당한 시나리오는 다음으로 가벼운 초대칭 입자(NLSP)로 간주되는 거의 질량이 일치하는 경량 스칼라 뱀부 퀘이크(\tilde{b}_1)를 가진 시나리오 뿐이며, 이는 DAMA, CoGENT, CRESST 신호와 일치하는 큰 스핀-독립 산란 횡단면을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We investigate the viability of light neutralino scenarios as promoted by dark matter direct detection experiments. Using high statistics scans in the pMSSM we have identified several scenarios which give rise to very light neutralinos with large direct detection scattering cross sections. Our results are challenged with constraints from dark matter relic density, direct detection, indirect detection, as well as flavour physics, electroweak precision tests, LEP and Tevatron limits, LHC limits on SUSY, Higgs and monojet searches. In particular we study the effect of a Higgs boson in the range 122.5 < Mh < 127.5 GeV. We show that several scenarios emerge in agreement with all the constraints, and we study their characteristics and the LHC sensitivity.

연구 동기 및 목표

• DAMA, CoGENT, CRESST와 같은 직접 탐지 실험에서의 모순되는 신호를 고려할 때, 5–40 GeV 범위의 빛의 중성차입 입자 어둠료 물질(pMSSM 프레임워크 내)이 타당한지 평가하는 것.
• 재현 밀도, 플레이버 물리, 전자약력 정밀도 시험, LHC 탐색 결과 등 모든 현재 실험 제약 조건을 만족하는 pMSSM 매개변수 점에서 빛의 중성차입 입자를 가진 모델을 식별하는 것.
• 최근 측정된 힉스 보존 질량(122.5–127.5 GeV)이 빛의 중성차입 입자 시나리오의 타당성에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 특히 LSP와 NLSP 간 질량 격차가 작은 압축된 초대칭 스펙트럼에서 LHC의 감도를 평가하는 것.

제안 방법

• 제약된 모델(예: CMSSM)을 초월한 광범위한 초대칭 매개변수 공간을 탐색하기 위해 19개 매개변수를 가진 pMSSM에 대해 5억 건 이상의 고도수 스캔을 수행한다.
• 차린요/중성차입 입자 쌍 생성에 대한 LEP 및 LEP-2 제약 조건과 함께, LHC에서의 초대칭, 힉스, 단일 제트 탐색 제약 조건을 적용한다.
• 특히 8 TeV에서 MET 기반 초대칭 탐색에 대한 LHC 반응을 모델링하기 위해 검증된 현실적인 빠른 시뮬레이션을 사용한다.
• 빛의 중성차입 입자와 큰 직접 탐지 횡단면을 가진 시나리오에 집중하며, WMAP 재현 밀도 및 Fermi-LAT 간접 탐지 한계와의 일치를 확보한다.
• MET 및 제트의 운동량(pT)의 운동학적 분포를 분석하여, MET 기반 초대칭 탐색의 트리거 및 선택 효율성을 평가한다.
• WMAP 재현 밀도 제약 조건을 완화함으로써, 주로 \tilde{b}_1 NLSP 클래스를 초월한 타당한 시나리오를 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 현재 실험 제약 조건, 즉 LHC 및 LEP 제약 조건을 고려할 때 pMSSM 내에서 빛의 중성차입 입자 어둠료 물질 시나리오(5–40 GeV)는 타당한가?
• RQ2 빛의 중성차입 입자를 어둠료 물질 후보로 가정할 때, DAMA, CoGENT, CRESST에서 보고된 직접 탐지 신호와 일치하는 특정 초대칭 입자 스펙트럼은 무엇인가?
• RQ3 측정된 힉스 보존 질량(122.5–127.5 GeV)은 pMSSM 내에서 빛의 중성차입 입자 시나리오의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 LSP와 NLSP 간 질량 격차가 작은 압축 스펙트럼에서 LHC는 빛의 중성차입 입자 시나리오에 대해 어떤 감도를 보이는가?
• RQ5 재현 밀도 제약 조건을 완화할 경우, \tilde{b}_1 NLSP 클래스를 초월한 타당한 시나리오는 존재하는가?

주요 결과

• 모든 제약 조건—LEP, LHC, 재현 밀도, 플레이버, 간접 탐지—을 만족하는 유일한 타당한 시나리오는 경량 스칼라 뱀부 퀘이크(\tilde{b}_1)가 경량 중성차입 입자(\tilde{\chi}^0_1)와 거의 질량이 일치할 때이며, 이는 큰 스핀-독립 산란 횡단면을 초래한다.
• 이 \tilde{b}_1 NLSP 시나리오는 8 TeV에서 약 0.6 μb의 생성 횡단면을 가지며, 사건의 대부분이 소규모 횡방향 에너지를 가지므로 표준 MET 기반 탐색에서는 탐지하기 어려운 편이다.
• MET 및 제트 pT 절단값을 각각 130 GeV에서 75 GeV 및 50 GeV로 낮추면 선택 효율이 0.003 및 0.012로 증가하여, 수정된 분석 전략을 통해 탐지 가능성은 높아질 수 있다.
• 차린요 또는 스레프톤 NLSP를 가진 시나리오는 WMAP 재현 밀도 제약 조건을 완화할 경우에만 타당해지며, 이는 천체물리적 제약 조건에 강하게 의존함을 시사한다.
• 연구는 현재 CDMS 및 XENON 한계에 가까운 횡단면을 가진 pMSSM 점의 상당 부분을 식별하여, 이러한 빛의 중성차입 입자 모델이 직접 탐지 한계에 의해 배제되지 않음을 확인한다.
• 분석은 LHC의 표준 MET 기반 탐색이 이러한 압축된, 낮은 운동량 최종 상태에는 최적화되어 있지 않음을 확인하며, 현재 초대칭 탐색 전략에 잠재적인 격차가 있음을 시사한다.