[논문 리뷰] Muon $g-2$ and Co-annihilating Dark Matter in the MSSM

Peter Cox, Chengcheng Han외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 29인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 최소 초대칭 표준모형(MSSM)이 빈티지 라이크 LSP의 렙톤 또는 가벼운 윈오와의 공형상쇄를 통해 관측된 4.2σ 수준의 뮤온 이례 자기모멘트($g-2$)의 불일치와 어두운 물질 잔류 밀도를 동시에 설명할 수 있음을 보여준다. 비노-윈오 공형상쇄 시나리오는 비균일한 스레프톤 질량을 가질 경우 현재의 실험으로부터 제약을 받지 않으며, 향후 직접 탐지 실험인 LZ와 같은 실험에서 핵심 영역을 테스트할 수 있다.

ABSTRACT

We demonstrate that the recent measurement of the anomalous magnetic moment of the muon and dark matter can be simultaneously explained within the Minimal Supersymmetric Standard Model. Dark matter is a mostly-bino state, with the relic abundance obtained via co-annihilations with either the sleptons or wino. The most interesting regions of parameter space will be tested by the next generation of dark matter direct detection experiments.

연구 동기 및 목표

• MSSM 내에서 관측된 뮤온 이례 자기모멘트($a_\mu$)의 4.2σ 불일치와 어두운 물질 잔류 밀도를 동시에 설명하기 위해.
• 빈티지-스타우 및 빈티지-윈오 공형상쇄와 같은 타당한 공형상쇄 메커니즘을 탐색하여 $a_\mu$와 어두운 물질 제약 조건을 동시에 충족시키기 위해.
• 현재의 콜라이더 및 직접 탐지 제약 조건을 피하면서도 향후 실험에서 테스트 가능한 매개변수 영역을 식별하기 위해.
• 비균일한 스레프톤 질량이 LHC 스레프톤 탐색 및 진공 안정성 제약 조건을 완화시키는 데 어떻게 기여하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 스펙트럼 생성을 위해 SuSpect-2.52를, 잔류 밀도, 스핀-독립적 DM-핵자 산란 횡단면 및 $a_\mu$의 1차 고리 + 주요 2차 고리 기여를 계산하기 위해 MicrOMEGAs-5.2.7를 사용한다.
• 쿼크 스퀘어크, 글루아노, 힉스 보존은 약 3 TeV에서 분리되며, 125 GeV 힉스 질량을 확보하기 위해 $A_t = 5$ TeV로 설정된다.
• 삼중항 상호작용 $A_t$는 5 TeV로 고정되며, 나머지 $A$-항들은 무시된다; 좌우 스피너 질량은 동일하다고 가정한다.
• $a_\mu$ 기여의 정확한 부호를 확보하기 위해 $\text{sgn}(M_1 M_2 \mu) > 0$로 가정한다.
• 빈티지-스타우 공형상쇄의 경우 $M_2 = 1$ TeV을 고정하고, 잔류 밀도를 만족시키기 위해 $M_1$을 스캔한다.
• 빈티지-윈오 공형상쇄의 경우 $M_1$을 변형하여 잔류 밀도를 일치시키며, $M_2$와 $\mu$는 자유 매개변수로 간주한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSSM은 공형상쇄를 통해 관측된 $a_\mu$ 불일치와 정확한 어두운 물질 잔류 밀도를 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 LHC 스레프톤 탐색 및 XENON1T 직접 탐지 제약 조건이 빈티지-스타우 및 빈티지-윈오 공형상쇄 시나리오의 타당한 매개변수 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 빈티지-스타우 공형상쇄 모형에서 $\tan\beta$는 콜라이더 제약 조건을 완화시키고 타당한 $a_\mu$ 기여를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 비균일한 스레프톤 질량은 비균일 질량 대비 빈티지-윈오 공형상쇄 시나리오의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 현재 실험으로부터 제약을 받지 않으며, 향후 직접 탐지 실험인 LZ와 같은 실험에서 테스트 가능한 매개변수 공간의 어떤 영역이 남아 있는가?

주요 결과

• 균일한 스레프톤 질량을 가진 빈티지-스타우 공형상쇄 시나리오는 LHC 스레프톤 탐색 및 진공 안정성 제약 조건으로 인해 강하게 제약을 받으며, 특히 고 $\tan\beta$에서 매우 강한 제약을 받으며, LEP 제약 조건 근처의 작은 영역만 타당하다.
• $\tan\beta = 20$일 때, $1\sigma$ 수준의 $a_\mu$ 일치를 달성하는 빈티지-스타우 공형상쇄 영역은 LHC 제약 조건을 피할 수 있지만, 매우 가벼운 스타우를 요구하며, $m_{\tilde{\tau}_1} \lesssim 100$ GeV이어야 한다.
• 비균일한 스레프톤 질량을 가진 빈티지-윈오 공형상쇄 시나리오는 $a_\mu$와 잔류 밀도를 동시에 설명할 수 있는 광범위한 매개변수 영역을 허용하며, 현재의 LHC 또는 직접 탐지 제약 조건이 없다.
• $\mu \lesssim 1.5$ TeV일 경우, 빈티지-윈오 모델의 $g-2$ 최적 적합 영역은 향후 직접 탐지 실험인 LZ와 같은 실험에서 접근 가능하다.
• $\mu \gtrsim 1.5$ TeV 이며 $m_{\tilde{\ell}} \gtrsim 1$ TeV인 영역는 직접 탐지에 대해 LZ의 탐지 한계를 초월하지만, 스무온 루프를 통한 $a_\mu$ 기여를 설명하는 데는 여전히 타당하다.
• $M_1 \approx M_2 \approx m_{\tilde{\ell}}$ 이며 고 $\mu$ 값인 완전히 압축된 영역는 현재 콜라이더 및 직접 탐지 실험 양쪽에서 제약을 받지 않으며, 향후 탐색의 주요 대상이 된다.