[논문 리뷰] Neutralino Proton Cross Sections For Dark Matter In SUGRA And D-BRANE Models

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta외 1명|arXiv (Cornell University)|2000. 05. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 직접 암흑물질 실험에 의한 탐지 가능성 평가를 위해 mSUGRA, 비일관된 SUGRA, 그리고 D-brane 모델에서 중성미자-양성자 스핀 비의존성 단면적을 계산한다. 비일관된 모델은 tan β ≥ 4에서 큰 단면적을 달성할 수 있는 반면, mSUGRA는 tan β ≥ 25가 필요하며, CP-비대칭 위상은 단면적을 2–3배 감소시키며 상당한 미세조정이 필요하다.

ABSTRACT

Neutralino proton cross sections are examined for models with R-parity invariance with universal soft breaking (mSUGRA) models, nonuniversal SUGRA models, and D-brane models. The region of parameter space where current dark matter detectors are sensitive, i.e. $1 imes 10^{-6}$ pb, is examined. For mSUGRA models, detectors are sampling parts of the parametr space for tan$β>\sim 25$. The nonuniversal models can achieve cross sections that are a factor of 10-100 bigger or smaller then the universal one and in the former case sample regions tan$β>\sim 4$. The D-brane models considered require tan$β>\sim 15$. The inclusion of CP violating phases reduces the cross section by a factor of $\sim$ 2-3 (but also requires considerable fine tuning at the GUT scale). The expected particle spectra at accelerators are examined and seen to differ for each model. Three new regions of possible coannihilation are noted.

연구 동기 및 목표

• 현재 감도가 1×10⁻⁶ pb까지 가능한 직접 암흑물질 탐지기에서 측정 가능한 초대칭 매개변수 공간의 비율을 결정하기 위해.
• mSUGRA, 비일관된 SUGRA, D-brane 모델 간의 스핀 비의존성 중성미자-양성자 단면적을 비교하기 위해.
• CP-비대칭 위상의 단면적 및 천체물리적 제약 조건에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 유물 밀도 및 탐지 가능성에 영향을 줄 수 있는 새로운 공진화 채널을 규명하기 위해.

제안 방법

• GUT 스케일(2×10¹⁶ GeV)에서 탑 쿼크 질량(175 GeV)까지의 전체 1-루프 재규격화군 방정식(RGEs)을 사용하여 일관된 질량 스펙트럼을 얻기 위해 반복 계산을 수행하였다.
• 스퍼미온 질량 행렬의 L-R 혼합, 힉스 및 바텀 쿼크 질량의 1-루프 보정, 정확도 향상을 위한 QCD RGE 보정을 포함하였다.
• b→sγ 붕괴 비율에 대해 주로 선형 보정 및 약간의 다음 순서 보정을 적용하였다.
• 실험적 제약 조건을 적용: m_χ±₁ > 94 GeV, m_h > 95 GeV, B(B→Xₛγ) ∈ [1.8–4.5]×10⁻⁴.
• 양성자 산란 단면적 추출을 위해 σ_πN = 65 MeV 및 σ₀ = 30 MeV를 사용하였으며, 쿼크 질량 비율 r = 24.4 ± 1.5를 고려했다.
• 우주론적 관측치와 일치하기 위해 유물 밀도 Ω_χ⁰₁h²를 0.02에서 0.25 사이로 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mSUGRA, 비일관된 SUGRA, D-brane 모델에서 현재 실험 기준으로 탐지 가능한 중성미자-양성자 단면적(≥1×10⁻⁶ pb)을 갖는 초대칭 매개변수의 범위는 무엇인가?
• RQ2 CP-비대칭 위상은 스핀 비의존성 중성미자-양성자 단면적에 어떤 영향을 미치며, 그에 수반된 미세조정은 얼마나 되는가?
• RQ3 어느 모델에서 낮은 tan β에서 큰 단면적을 달성할 수 있으며, 그에 따른 힉스 및 스퀘어크 질량 패턴은 어떠한가?
• RQ4 비일관된 모델에서 유물 밀도 및 단면적 예측에 영향을 줄 수 있는 새로운 공진화 채널은 무엇인가?

주요 결과

• mSUGRA 모델에서는 현재 탐지기가 탐지 가능한 범위는 tan β ≥ 25에서만 가능하며, 이는 경량 중성미자(m_χ⁰₁ ≤ 120 GeV)와 중간 정도의 스퀘어크 질량(m_d̃ ≈ 400–700 GeV)에서 단면적이 최대가 된다.
• 비일관된 SUGRA 모델에서는 단면적이 10–100배로 증가하거나 감소할 수 있으며, tan β ≥ 4에서 큰 단면적을 달성할 수 있다. 이 경우 더 무거운 스퀘어크(m_d̃ ≈ 600–1200 GeV)와 더 가벼운 힉스(m_h ≈ 100–110 GeV)가 특징이다.
• D-brane 모델에서는 탐지 가능한 단면적을 얻기 위해 tan β ≥ 15가 필요하며, CP-비대칭 위상은 σ_χ⁰₁−p를 2–3배 감소시키며, GUT 스케일에서 μ-위상의 미세조정이 필요하다.
• 세 가지 새로운 공진화 영역이 규명되었다: 큰 tan β에서 mSUGRA의 χ̃±₁–χ̃⁰₁ 디제너레이션, δ₅ < 0 조건에서 비일관된 SUGRA의 τ̃_R–χ̃⁰₁ 디제너레이션, 그리고 큰 Θ₁(~0.8)에서 D-brane 모델의 χ̃±₁–χ̃⁰₁ 디제너레이션.
• 낮은 tan β와 높은 스퀘어크 질량에서 비일관된 모델에서 큰 단면적을 달성함으로써, 탐지 가능한 단면적과 낮은 양성자 붕괴율 간의 조화를 이루는 데 기여한다.
• 고 m₀ 및 m₁/₂ 영역에서는 공진화 효과로 단면적이 예상보다 감소할 수 있으나, 본 논문은 탐지 가능성 평가를 위해 최대 이론적 단면적에 집중하였다.