[논문 리뷰] pMSSM Benchmark Models for Snowmass 2013

M. Cahill-Rowley, JoAnne L. Hewett외 3명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 10.

Social Acceptance of Renewable Energy참고 문헌 4인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 스노우마스 2013 공동체를 위해 관측된 힉스 보손 질량(125 GeV)과 어두운 물질 잔류 밀도를 정확히 예측하고 현재의 LHC 제약 조건을 회피하는 19개의 현상론적 MSSM(pMSSM) 기준 모델을 제시한다. 이 모델들은 빈오-스탑 공붕합, 순수 힉스ино, A-포털 붕괴와 같은 다양한 어두운 물질 생성 메커니즘을 포함하며, 중성미자 및 중력보 LSP 시나리오를 모두 수반하며, 일차원 콜라이더 및 천체물리학 스캔을 위한 매개변수 공간 내 ' spokes'(지지선)를 포함한다.

ABSTRACT

We present several benchmark points in the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model (pMSSM). We select these models as experimentally well-motivated examples of the MSSM which predict the observed Higgs mass and dark matter relic density while evading the current LHC searches. We also use benchmarks to generate spokes in parameter space by scaling the mass parameters in a manner which keeps the Higgs mass and relic density approximately constant.

연구 동기 및 목표

• 관측된 힉스 보손 질량(125 GeV)과 WMAP 어두운 물질 잔류 밀도를 재현하는 타당한 pMSSM 모델을 식별하기 위해.
• 모든 현재 실험 제약 조건—LHC 탐색, 정밀 전자기 상호작용 데이터, 프리미티브 관측, 천체물리학적 제약 조건—을 충족하는 모델을 선택하기 위해.
• pMSSM 매개변수 공간 내에서 힉스 질량과 잔류 밀도가 약간만 변하는 일차원 스캔이 가능한 '지지선'(spokes)을 구성하기 위해.
• 미래의 콜라이더 및 어두운 물질 탐지 연구를 위한 포괄적이고 공개 가능한 기준 모델 세트를 제공하기 위해, 특히 스노우마스 2013 이후 첫 번째/두 번째 세대 스퍼미온이 준위가 일치하는 '프리마드' 모델을 포함하기 위해.
• 중력보 LSP를 가진 '슈퍼-WIMP' 시나리오를 탐색하기 위해, 여기서는 콜라이더에서의 발견 가능성이 직접 탐지 실험보다 더 높다.

제안 방법

• 정의된 범위 내에서 선형 및 로그 우선 확률을 사용하여 19개(또는 중력보 질량 포함 20개)의 매개변수를 무작위 스캔하여 대규모 pMSSM 모델 세트를 생성하였다.
• SOFTSUSY 3.1.7를 사용하여 이론적 일관성 검사를 실시하고, SuSpect 2.41를 통해 교차 검증하여 스펙트럼 신뢰성을 확보하였다.
• SUSY-HIT 1.3를 사용하여 붕괴 표를 계산하였으며, $(g-2)_\mu$, $b\to s\gamma$, $B_{s}\to\mu\mu$, $Z\to$ 투명하지 않은, $\Delta\rho$, 그리고 LEP/LHC 제약 조건을 통합하였다.
• PYTHIA 6.4.26와 PGS 4를 사용하여 콜라이더 서명을 시뮬레이션하였으며, 전자기 상호작용에 대해 NLO K-요인(1.25), 색이 있는 스퍼파트클에 대해 Prospino 2.1를 사용하였으며, 2012년 ATLAS SUSY 탐색 21건과의 검증을 통해 정확성을 확보하였다.
• 질량 매개변수를 스케일링하여 힉스 질량과 잔류 밀도를 유지하는 방식으로 '지지선'을 정의함으로써, 주요 현상론적 방향으로 일차원 스캔이 가능하도록 하였다.
• 모델들과 지지선을 http://www.slac.stanford.edu/~aismail/snowmass/index.html 에 공개하였으며, 스노우마스 2013 이후 첫 번째/두 번째 세대 스퍼미온이 준위가 일치하는 '프리마드' 버전도 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 LHC 제약 조건을 회피하면서도 관측된 힉스 보손 질량(125 GeV)과 정확한 어두운 물질 잔류 밀도를 동시에 예측하는 pMSSM 모델은 무엇인가?
• RQ2 어떻게 하면 pMSSM 매개변수 공간 내에서 일차원 스캔이 가능한 '지지선'(spokes)을 구성할 수 있는가? 이 경우 힉스 질량과 LSP 잔류 밀도는 약간만 변동한다.
• RQ3 타당한 pMSSM 모델에서 어두운 물질 붕괴 메커니즘의 주요 기여는 무엇이며, 이는 콜라이더 및 천체물리학 서명에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 중성미자 LSP 모델과 중력보 LSP 모델의 현상론적 서명은 어떻게 다를까? 특히 콜라이더에서의 탐지 가능성과 직접 탐지 실험에서의 차이를 고려할 때.
• RQ5 비열화 중력보 생성과 스누트론 뉴트리노 NLSP를 포함할 경우, pMSSM에서 '슈퍼-WIMP' 시나리오의 타당성은 어느 정도로 영향을 받는가?

주요 결과

• 중성미자 LSP를 가진 pMSSM 모델의 66%와 중력보 LSP를 가진 pMSSM 모델의 53%가 모든 LHC 및 정밀 제약 조건을 통과하여, 큰 타당한 매개변수 공간이 존재함을 시사한다.
• 모델 401479(약 800 GeV에서 빈오-스탑 공붕합)는 $\tilde{B}$–$\tilde{t}$ 공붕합을 통해 $\langle \sigma v \rangle = 4.3 \times 10^{-30}$ cm³/s의 효율을 보이며, 주로 $\tau^+\tau^-$ 최종 상태에서 기여한다.
• 모델 1046838(1 TeV에서 순수 힉스ино)는 $1.0 \times 10^{-26}$ cm³/s의 잔류 밀도를 가지며, 주로 $W^+W^-$ 및 $ZZ$ 최종 상태에서 붕괴한다.
• 모델 2387564(1 TeV에서 A-포털 붕괴)는 $3.8 \times 10^{-27}$ cm³/s의 붕괴 단면적을 가지며, 72%의 분포가 $b\bar{b}$로 향하고, 스퀴어크가 1.4 TeV에 위치한다.
• 모델 2750334(150 GeV에서 잘 조절된 빈오-힉스ино LSP)는 $1.9 \times 10^{-26}$ cm³/s의 단면적을 가지며, 가장 가벼운 라프톤은 750 GeV에 위치하고, 스퀴어크는 1.3 TeV 이상에 있다.
• 중력보 LSP 기준 모델(모델 374345)은 580 GeV의 스누트론 뉴트리노 NLSP와 400 GeV의 중력보를 가지며, 비열화 생성을 통해 타당성이 확보되었고, 힉스 보손 질량은 123.5 GeV이다.