[논문 리뷰] NMSSM neutralino dark matter for CDF II $W$-boson mass and muon $g-2$ and the promising prospect of direct detection

Tian-Peng Tang, Murat Abdughani외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 뉴트럴린오가 빈오-유사인 다음 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)에서, 가벼운 전약 히노와 라프톤을 통해 CDF II W 보손 질량 이상 현상과 뮤온 g-2 불일치 현상을 동시에 설명할 수 있는 가능성을 제안한다. 선호되는 암흑물질 질량 범위인 180–280 GeV은 팬다엑스-4T, 헥스온엔티, LZ, DARWIN와 같은 현재 진행 중인 직접 탐지 실험에서 측정 가능한 영역에 속한다.

ABSTRACT

Two experiments from the Fermilab, E989 and CDF II, have reported two anomalies for muon $g-2$ and $W$-boson mass that may indicate the new physics at the low energy scale. Here we examine the possibility of a common origin of these two anomalies in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model. Considering various experimental and astrophysical constraints such as the Higgs mass, collider data, flavor physics, dark matter relic density, and direct detection experiments, we find that lighter electroweakinos and sleptons can generate sufficient contributions to muon $g-2$ and $m_W$. Moreover, the corresponding bino-like neutralino dark matter mass is in the $\sim 180-280$ GeV range. Interestingly, the favored DM mass region can soon be entirely probed by ongoing direct detection experiments like PandaX-4T, XENONnT, LUX-ZEPLIN, and DARWIN.

연구 동기 및 목표

• NMSSM 프레임워크 내에서 CDF II W 보손 질량 이상 현상과 뮤온 g-2 불일치 현상에 대한 공통적인 설명을 탐색한다.
• 가벼운 전약 히노와 라프톤이 두 관측량 모두에 충분한 루프 보정을 생성할 수 있는 타당한 매개변수 영역을 규명한다.
• 암흑물질에 대한 천체물리학적, 강입자 실험, 풍미 물리학, 직접 탐지 제약 조건과의 일관성을 확보한다.
• 향후 직접 탐지 실험에서 선호되는 암흑물질 질량 영역이 어떻게 탐지 가능한지 평가한다.

제안 방법

• FlexibleSUSY-2.7.0를 사용하여 W 보손 자기에너지와 뮤온 비정상 자기모멘트에 대한 1-루프 보정을 계산한다.
• 허그스 보손 질량, 잔류 밀도, 풍미 물리학, 그리고 직접 탐지 실험(XENON1T, LZ)에서의 제약 조건을 구현한다.
• 스무온과 뉴트럴린오가 포함된 공존형 상호작용을 통해 암흑물질의 상호작용 단면적을 감소시킨다.
• NMSSMTools-6.0.0를 사용하여 결과를 검증하고, ATLAS 및 LHC 데이터(스루톤과 치아린고 쌍 생성)와 비교한다.
• 현재 및 향후 실험(XENONnT, LZ, DARWIN)의 직접 탐지 민감도를 예측한다.
• 좌우 히든 라프톤 간 질량 분리가 최소한인 빈오-유사 뉴트럴린오를 암흑물질 후보로 집중적으로 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NMSSM 내에서 가벼운 전약 히노와 라프톤이 CDF II W 보손 질량 이상 현상과 뮤온 g-2 불일치 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 두 이상 현상과 모든 실험 제약 조건을 만족하는 빈오-유사 뉴트럴린오의 암흑물질 질량 범위는 무엇인가?
• RQ3 스무온이 포함된 공존형 상호작용은 암흑물질 잔류 밀도와 간접 탐지 신호에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재 진행 중이거나 향후 예정된 직접 탐지 실험은 선호되는 매개변수 영역을 어느 정도 탐지 가능하게 하는가?
• RQ5 최근 LUX-ZEPLIN 결과를 고려할 때, 은하중심 감마선 과잉 현상에 대한 싱글렛-히긴스 공진해석은 여전히 타당한가?

주요 결과

• CDF II W 보손 질량 이상 현상과 뮤온 g-2 불일치 현상은 NMSSM 내에서 가벼운 전약 히노와 라프톤을 통해 동시에 설명 가능하다.
• 빈오-유사 뉴트럴린오 암흑물질의 질량는 180–280 GeV 범위로 제약되며, 이는 두 이상 현상과 천체물리학적 제약 조건과 일치한다.
• 가장 가벼운 뉴트럴린오와 스무온 간의 공존형 상호작용은 암흑물질 상호작용 단면적을 10⁻²⁷ cm³s⁻¹ 이하로 감소시킨다.
• 최신 LUX-ZEPLIN(LZ) 실험 결과로 인해 Z/H 공진 영역이 배제되었으며, 은하중심 과잉 현상에 대한 싱글렛-히긴스 공진 해석은 더 이상 타당하지 않다.
• 선호되는 암흑물질 질량 영역(180–280 GeV)은 팬다엑스-4T, 헥스온엔티, LZ, DARWIN와 같은 향후 직접 탐지 실험의 민감도 범위 내에 완전히 포함되어 있다.
• ATLAS 및 LHC 13 TeV 데이터에서의 스루톤과 치아린고 쌍 생성에 대한 제약 조건은 특히 공존형 상호작용 영역에서 타당한 매개변수 영역을 더욱 좁히고 있다.