[논문 리뷰] Phenomenological Aspects of the $E_6$SSM

Jonathan P. Hall|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 127인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 끈 이론에 영감을 받은 초대칭 대통합 이론인 $E_6$ SSM의 현상론을 조사하며, 어두운 물질 후보로 제시된 관성 중성보 세그먼트에 초점을 맞춘다. 연구 결과, 가장 가벼운 관성 중성보는 표준모형 유사 힉스 보손과 강하게 결합하여 직접 탐지 제약 조건과 충돌하는 큰 스핀-독립형 LSP-핵자 산란 단면적을 초래함을 밝혀내어 냉각 어두운 물질 후보로서의 타당성을 도전한다. 새로운 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 변형이 제안되며, 초기 우주에서의 팽창률이 초대칭 질량이 0인 상태로 인해 수정되어 빅뱅 핵합성 데이터와 더 잘 맞는다.

ABSTRACT

The inert neutralino sector of the $E_6$SSM and the dark matter that naturally arises from this sector is studied for the first time. Limits on the parameter space from experimental and cosmological observations relating to the inert neutralino dark matter are explored and the consequences for Higgs boson phenomenology are investigated. In plausible scenarios it is found that the couplings of the lightest inert neutralinos to the SM-like Higgs boson are always rather large. This has major implications for Higgs boson collider phenomenology and leads to large spin-independent LSP-nucleon cross-sections. Because of the latter, scenarios in which $E_6$SSM inert neutralinos account for all of the observed dark matter are now severely challenged by recent dark matter direct detection experiment analyses. In plausible scenarios consistent with observations from both cosmology and LEP the lightest inert neutralino is required to have a mass around half of the Z boson mass if it contributes to cold dark matter and this means that $ an(β)$ cannot be too large. A new variant of the $E_6$SSM called the $E_6Z_2^S$SSM is also presented in which the dark matter scenario is very different to the inert neutralino cold dark matter scenario and in which the presence of supersymmetric massless states in the early universe modifies the expansion rate of the universe prior to Big Bang Nucleosynthesis. The new dark matter scenario is consistent with current observations and the modified expansion rate provides a better explanation of various data than the SM prediction. The prospects for a warm dark matter scenario in the $E_6$SSM are also briefly discussed.

연구 동기 및 목표

• 관성 중성보 세그먼트가 냉각 어두운 물질 후보로서 $E_6$ SSM에서의 현상론적 타당성을 조사하는 것.
• 강한 힉스-중성보 결합이 직접 탐지 실험과 콜리더 현상론에 끼치는 영향을 평가하는 것.
• 잔류 밀도와 LEP 데이터로부터 관성 중성보 질량과 $\tan\beta$에 대한 천체물리적 제약 조건을 탐색하는 것.
• 초기 우주 팽창률을 변화시키는 초대칭 질량이 0인 상태를 포함하는 새로운 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 변형을 제안하고 분석하는 것.
• 관성 싱글리노를 통한 $E_6$ SSM에서의 따뜻한 어두운 물질 시나리오 가능성 탐색

제안 방법

• 초대칭 질량이 0인 상태를 포함하는 $E_6$ SSM 라그랑지안을 $E_6$ 게이지 대칭, $R$-대칭, 그리고 가장 가벼운 관성 중성보를 안정화시키는 $\mathds{Z}^H_2$ 대칭을 사용하여 구성한다.
• 초합성 퍼텐셜과 소프트 파괴 항항을 사용하여 중성보 및 카르긴로의 질량 행렬을 유도하며, 삼중항 결합 상수 $\lambda'$ 및 $\epsilon$를 포함한다.
• 우주론적 관측치와 일치시키기 위해 열적 잔류 밀도를 계산하기 위해 볼츠만 방정식을 적용한다.
• 파라미터 $\lambda'$, $\tan\beta$, $f$, $s$에 대한 수치적 스캔을 통해 어두운 물질 영역을 매핑한다.
• 빅뱅 핵합성 기간 동안 표준모형 예측과의 편차를 평가하기 위해 효과적인 중성미온 수 $N_{\mathrm{eff}}$ 를 계산한다.
• 힉스 포털 결합 강도를 사용하여 핵자에 대한 스핀-독립형 산란 단면적을 계산하여 직접 탐지 단면적을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관성 중성보가 $E_6$ SSM에서 냉각 어두운 물질 후보로서 현상론적으로 어떤 제약을 받는가?
• RQ2 가장 가벼운 관성 중성보가 표준모형 유사 힉스 보손과 얼마나 강하게 결합하는가? 그리고 콜리더 및 직접 탐지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $E_6$ SSM이 관측된 어두운 물질 잔류 밀도를 설명하면서도 LEP 및 천체물리적 제약 조건을 만족할 수 있는가?
• RQ4 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM에서 초대칭 질량이 0인 상태의 존재가 초기 우주의 팽창률을 어떻게 변화시키며, 빅뱅 핵합성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 관성 싱글리노를 통한 $E_6$ SSM에서 따뜻한 어두운 물질 시나리오의 타당성은 어떠한가?

주요 결과

• 모든 관성 중성보가 표준모형 유사 힉스 보손과 강하게 결합하여 큰 스핀-독립형 LSP-핵자 산란 단면적을 초래한다.
• 이러한 큰 단면적은 대부분의 매개변수 영역에서 관성 중성보가 냉각 어두운 물질 후보로서 타당하지 않음을 의미하며, 최근의 직접 탐지 제약 조건과 충돌한다.
• 관성 중성보가 관측된 전체 어두운 물질를 기여하기 위해서는 질량이 약 $Z$ 보손 질량의 절반, 즉 약 45 GeV여야 하며, $\tan\beta$는 작아야 한다.
• $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 변형은 초대칭 질량이 0인 상태를 도입하여 빅뱅 핵합성 이전에 $N_{\mathrm{eff}}$ 를 증가시키며, 표준모형보다 천체물리적 데이터와 더 잘 맞는다.
• $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM의 수정된 팽창률은 더 높은 예측 $N_{\mathrm{eff}}$ 를 이끌어내며 관측 데이터와 일치한다.
• 관성 싱글리노를 통한 따뜻한 어두운 물질 시나리오는 가능하지만 완전히 탐색되지는 않았으며, 소규모 구조 형성에서의 긴장 완화에 기여할 수 있다.