[논문 리뷰] Neutralino Dark Matter with Light Staus

Aaron Pierce, Nausheen R. Shah외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 58인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 MSSM에서 빛나는 스토(약 100 GeV)이 t-채널 교환을 통해 중성미온의 붕괴를 매개함으로써 질량 비탄성도가 필요 없이 올바른 잔류 밀도를 달성하는 실현 가능한 암흑물질 시나리오를 제안한다. 두 가지 다른 현상학적 시나리오가 도출된다: 하나는 히iggs노 성분을 가진 중성미온이 직접 탐지 신호를 가능하게 하고, 다른 하나는 큰 스토 혼합이 히iggs → γγ 붕괴 확률을 증가시킨다. 이 두 시나리오는 모두 고에너지 충돌기와 히iggs 정밀 측정에서 검증 가능하다.

ABSTRACT

In spite of rapid experimental progress, windows for light superparticles remain. One possibility is a ~100 GeV tau slepton whose t-channel exchange can give the correct thermal relic abundance for a relatively light neutralino. We pedagogically review how this region arises and identify two distinct scenarios that will be tested soon on multiple fronts. In the first, the neutralino has a significant down-type higgsino fraction and relatively large rates at direct detection experiments are expected. In the second, there is large mixing between two relatively light staus, which could lead to a significant excess in the Higgs boson branching ratio to photons. In addition, electroweak superpartners are sufficiently light that direct searches should be effective.

연구 동기 및 목표

• 강력한 LHC 및 직접 탐지 제약 조건에도 불구하고, 특히 빛나는 스토를 포함한 경량 초대칭 입자를 가진 MSSM에서 실현 가능한 암흑물질 시나리오를 식별하는 것.
• 빛나는 스토(약 100 GeV)가 t-채널 교환을 통해 중성미온의 붕괴를 매개하여 관측된 잔류 밀도를 달성할 수 있는지 탐색하는 것, 이는 스토 공붕괴가 필요 없음을 보장한다.
• 두 가지 별개의 현상학적 영역을 식별하는 것: 하나는 직접 탐지가 가능한 비중요한 히iggs노 성분을 가진 중성미온이고, 다른 하나는 큰 스토 혼합으로 인해 히iggs → γγ 분해율이 증가하는 경우이다.
• 향후 충돌기 탐색, 직접 탐지 실험, 정밀 히iggs 보손 측정을 통해 이러한 시나리오의 검증 가능성을 평가하는 것.

제안 방법

• 중성미온 붕괴 과정 χχ → ττ에서 t-채널 스토 교환을 분석하기 위해 MSSM 라그랑지안과 중성미온-스토 쿠플링을 사용한다. 이 쿠플링은 중성미온과 스토 질량 행렬식에서 유도된다.
• 중성미온 혼합 행렬 N_ij와 스토 혼합 각도 τ를 사용하여 스토-중성미온 쿠플링 강도 g_L 및 g_R를 유도하며, tanβ에 의해 증폭되는 요크하우 쿠플링을 포함한다.
• 열역학적 잔류 밀도를 t-채널 기여가 지배하는 '배터리 스토' 영역에 중점을 두고, 붕괴 단면적 σv를 사용하여 평가한다.
• 가상의 스토가 루프에 기여하는 것을 포함하여 히iggs → γγ 붕괴 폭을 계산하기 위해 루프 함수 A₀[x], A₁[x], A₁/₂[x]를 적용한다.
• 중성미온 질량 행렬 M_N과 스토 질량 행렬 M²_τ를 사용하여 질량 고유상태와 혼합 각도를 계산하며, MSSM 매개변수 공간에 의해 제약을 받는다.
• 큰 tanβ와 작은 M₂가 중성미온 구성에 미치는 영향을 고려하여, 히iggs노와 윈오 성분이 열등해지며 빈도가 가장 높은 LSP로 남아 있음을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛나는 스토(약 100 GeV)가 LSP와 질량 비탄성도가 필요 없이 중성미온 붕괴를 매개하여 올바른 열역학적 잔류 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 빛나는 스토가 존재하는 조건에서 비중요한 히iggs노 성분을 가진 중성미온의 직접 탐지 가능성은 어떠한가?
• RQ3 큰 스토 혼합이 어떻게 히iggs 보손의 디포톤 분해율에 측정 가능한 증가를 이끌 수 있는가?
• RQ4 현재 및 향후 충돌기 실험, 직접 탐지, 히iggs 정밀 측정을 통해 스토 매개 붕괴 과정을 어느 정도 탐색할 수 있는가?
• RQ5 tanβ는 어떻게 스토 매개 붕괴를 강화하고 히iggs → γγ 붕괴 확률을 수정하는가?

주요 결과

• 빛나는 스토(약 100 GeV)는 t-채널 중성미온 붕괴를 통해 ττ 쌍을 매개하여, LSP와의 질량 비탄성도가 필요 없이 올바른 잔류 밀도를 달성할 수 있다. 이는 주로 빈도가 높은 LSP일지라도 가능하다.
• 중성미온에 비중요한 히iggs노 성분이 포함된 시나리오에서는 tanβ에 의존하는 요크하우 쿠플링으로 인해 직접 탐지 단면적이 증가하여, 향후 실험에서 LSP를 탐지할 수 있다.
• 큰 스토 혼합은 상당한 s-파동 붕괴율을 유도하며, 이는 스토 질량과 혼합 각도에 따라 히iggs 보손의 디포톤 분해율을 최대 1.5~2배까지 증가시킬 수 있다.
• 히iggs → γγ 확률은 현재 실험적 범위 내에 유지된다 (CMS: 0.78–1.11, ATLAS: 1.65), 하지만 ATLAS 값 근처의 편차는 스토 루프를 통한 새로운 물리학의 신호가 될 수 있다.
• 전자기 초대칭 입자, 특히 스토는 충분히 가볍기 때문에 (약 100 GeV), LHC에서의 루프 라이크 라이프타임 입자 및 카이아르치노 탐색이 이러한 시나리오에 민감할 수 있다.
• 선택자 및 스모우온에 비해 스토에 대한 제약 조건이 약하기 때문에, LEP 및 LHC에서의 루프 라이크 라이프타임 입자 제약 조건에도 불구하고 모델은 실현 가능하다. 또한 t-채널 매개 메커니즘이 공붕괴 제약 조건을 피하므로, 이는 모델의 타당성을 유지한다.