[논문 리뷰] Looking for supersymmetry: ~1 Tev WIMP and the power of complementarity in LHC and dark matter searches

Kamila Kowalska, Leszek Roszkowski외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초대칭 이론에서 약 1 TeV의 힉스티노 유사 중성보가 가장 유력한 암흑물질 후보임을 주장하며, 125 GeV의 힉스 보존 질량과 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 동시에 설명한다. 이 시나리오는 향후 1톤급 직접 탐지 실험과 LHC 탐색을 통해 검증 가능하며, LHC와 암흑물질 실험 간의 상호보완성이 곧바로 CMSSM 모델의 거의 완전한 테스트를 가능하게 할 것이다.

ABSTRACT

Some doubts have been expressed about low energy supersymmetry (SUSY) following the first run of the LHC. In this talk I will try to present a more upbeat view based on data, rather than theoretical expectations. In particular, I will make the following points: (a) in my opinion the most attractive candidate for dark matter (DM) is now the lightest neutralino with mass around 1 TeV and with well defined properties (a nearly pure higgsino). This follows primarily from a combination of the properties of the discovered Higgs boson, in particular its mass close to 125 Gev, and the relic density of dark matter, and is most clearly visible in the context of unified, or constrained, SUSY frameworks, although the DM candidate is quite generic; (b) this DM candidate will be nearly fully tested in forthcoming one-tonne DM underground search detectors; (c) the CMSSM will be nearly fully tested in the next few years by a combination of expected data from LHC experiments and from direct DM searches, as well as potentially also by the Cherenkov Telescope Array; (d) if naturalness plays any real role in SUSY (which remains unclear), then the amount of fine tuning, which is very large in simple models like the CMSSM, can be significantly reduced (even down to 1 in 20) with properly selected boundary conditions at the unification scale; (e) the (g-2) muon anomaly can be accommodated not only in the context of the general MSSM but also of some unified SUSY models with some superpartners to be within reach of the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 1 결과를 바탕으로 저에너지 초대칭의 타당성을 재평가하고, 널리 퍼진 회의론에 대비한다.
• 특히 약 1 TeV의 힉스티노 유사 중성보에 초점을 맞춰, 제약된 초대칭 프레임워크 내에서 가장 매력적인 암흑물질 후보를 규명한다.
• LHC, 직접 암흑물질 탐지, 간접 탐지(예: CTA)의 조합이 초대칭 모델에 대한 강력하고 상호보완적인 테스트 기반을 제공함을 보여준다.
• GUT 스케일에서의 비최소 경계 조건을 통해 초대칭의 정교조절을 크게 줄일 수 있으며, 자연성(Naturality)을 유지함을 보여준다.
• 게이지 촉매 통합과 라이프톤 통합을 완화함으로써, 제약된 초대칭 모델 내에서 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 어떻게 설명할 수 있는지 탐색한다.

제안 방법

• 125 GeV 힉스 보존 질량, 암흑물질 잔류 밀도, LHC 제한 조건을 바탕으로 한 제약된 최소 초대칭 표준모형(CMSSM)의 베이지안 사후 확률 분석.
• LUX와 XENON100의 직접 탐지 제한 조건 적용 및 1톤급 실험의 향후 감도 예측.
• CMSSM에서 $A$-펑글 영역을 탐지하기 위한 $B_s \to \mu^+\mu^-$ 분해비 측정치의 활용 — 이 영역에서는 큰 $\tan\beta$ 가 암흑물질 붕괴와 함께 흐름 위반 과정을 강화한다.
• 바르비에리-줄리디 측도를 통해 정교조절 평가 및 GUT 스케일에서의 경계 조건 선택을 통한 조절 감소 — 최소 1대 20까지 감소 가능.
• 라이프톤과 게이지노 통합을 완화함으로써 제약된 초대칭 모델에서 $(g-2)_\mu$ 이상현상의 해법을 분석 — LHC 제한 조건을 만족하면서도 경량의 스무온과 카이린을 가능하게 한다.
• 색과 전기약한 보손 탐색(LHC), 직접 탐지(WIMP-핵자 단면적), 간접 탐지(CTA를 통한) 간의 상호보완성을 활용하여 초대칭 매개변수 공간을 제약하고 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 런 1에서의 null 결과에도 불구하고, 약 1 TeV의 힉스티노 유사 중성보가 여전히 타당한 암흑물질 후보로 남을 수 있는가?
• RQ2 LHC, 직접 암흑물질 탐지, $B_s \to \mu^+\mu^-$ 측정치의 조합을 통해 CMSSM 모델을 어느 정도까지 테스트할 수 있는가?
• RQ3 GUT 스케일에서의 비최소 경계 조건을 통해 초대칭의 정교조절을 상당히 줄일 수 있는가, 동시에 실험 제한 조건을 위반하지 않는가?
• RQ4 게이지 촉매 통합이나 라이프톤 질량 통합의 완전한 붕괴 없이도 제약된 초대칭 모델 내에서 $(g-2)_\mu$ 이상현상을 설명할 수 있는가?
• RQ5 LHC와 직접 암흑물질 탐지 간의 상호보완성은 CMSSM의 전체 매개변수 공간을 얼마나 효과적으로 탐색하는가?

주요 결과

• 질량이 약 1 TeV이며 거의 순수한 힉스티노 조성을 가진 가장 가벼운 중성보가, 125 GeV의 힉스 보존 질량과 관측된 암흑물질 잔류 밀도와의 일치로 인해 가장 타당한 암흑물질 후보이다.
• 스타우-공붕괴 영역과 $A$-펑글 영역은 각각 2σ 및 1σ 신뢰 영역으로 제약되며, $A$-펑글 영역은 총 베이지안 확률의 약 30%를 차지한다.
• 전체 확률의 약 70%에 해당하는 주요 매개변수 영역은 다수 테바르크의 $m_0$와 $m_{1/2}$를 가진 영역으로, 중성보는 순수한 힉스티노이며, 이 영역은 1톤급 직접 탐지 실험에 의해 완전히 탐색될 것이다.
• LHC 데이터, 직접 탐지 제한(향후 1톤 감도 포함), $B_s \to \mu^+\mu^-$ 측정치의 조합을 통해 CMSSM 모델은 향후 몇 년 내 거의 완전히 테스트될 것이다.
• 적절한 GUT 스케일 경계 조건 선택을 통해 CMSSM의 정교조절은 3000분의 1 이상에서 최소 20분의 1까지 감소할 수 있으며, 더 넓은 범위의 초대칭 모델에서 자연성을 유지한다.
• $(g-2)_\mu$ 이상현상은 게이지노와 라이프톤 통합을 완화함으로써 제약된 초대칭 모델 내에서 수용 가능하며, 경량의 스무온과 카이린을 가능하게 하여 LHC 런 2 및 14에서의 결정적 검증이 가능하다.