[논문 리뷰] Searching for SUSY and decaying gravitino DM at the LHC and Fermi-LAT with the $\mu u$SSM

Carlos Muñoz|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 우수대칭 모델인 µνSSM을 제안하여 µ 문제를 해결하고, 오른쪽 수체 뉴트리노 쿠플링을 통해 중성미온 질량을 설명하며, R-대칭 위반으로 이어진다. 이 모델은 도입된 LHC 신호를 예측하며, 이는 이격된 꼬리점과 다중 레프톤/제트/광자 끝 상태를 포함한다. 장수하는 중성미온은 어두운 물질로 간주되며, Fermi-LAT의 감마선 라인으로 검출 가능하며, 질량은 5–20 GeV 이하, 수명은 10²⁵–10²⁸ s 초과로 제약을 받는다.

ABSTRACT

The `$\mu$ from $ u$' supersymmetric standard model ($\mu u$SSM) solves the $\mu$ problem of supersymmetric models and reproduces neutrino data, simply using couplings with the three families of right-handed neutrinos $ u$'s. Novel signatures of supersymmetry at the LHC are expected through these new states, and couplings breaking $R$ parity. All supersymmetric particles are potential candidates for the lightest one, which is not stable leading to prompt or displaced vertices and producing final states with multi-leptons/taus/jets/photons and missing energy. Besides, a decaying gravitino turns out to be an interesting candidate for dark matter. It can be searched through gamma-ray observations, such as those of the Fermi Large Area Telescope. The latter, depending on the region of the parameter space of the model, already imposes an upper bound on the gravitino mass of the order of $5-20$ GeV and a lower bound on the lifetime of about $10^{25-28}$ s.

연구 동기 및 목표

• 오른쪽 수체 뉴트리노 쿠플링을 도입하여 효과적인 µ 항을 생성함으로써 초대칭에서 µ 문제를 해결하기 위해.
• 오른쪽 수체 스넬루아노의 기대값 ⟨ν̃c_i⟩를 포함한 세이프 메커니즘을 통해 중성미온 질량과 혼합 각도를 설명하기 위해.
• R-대칭 위반에 기인한 초대칭 입자의 붕괴에서 발생하는 새로운 LHC 신호, 특히 즉각적이고 이격된 꼬리점의 특성을 탐색하기 위해.
• Fermi-LAT 감마선 관측을 통해 붕괴하는 중성미온이 어두운 물질 후보로 타당한지 평가하기 위해.
• 단색 감마선 라인의 비관측에 기반하여 중성미온 질량과 수명에 대한 강력한 제약을 설정하기 위해.

제안 방법

• 오른쪽 수체 뉴트리노 쿠플링 λi ν̃c_i H̃d H̃u 를 포함한 µνSSM를 도입하여, 오른쪽 수체 스넬루아노 기대값 ⟨ν̃c_i⟩를 통해 효과적인 µ 항을 생성한다.
• κijk ν̃c_i ν̃c_j ν̃c_k 쿠플링을 통해 세이프 메커니즘을 사용하여 오른쪽 수체 뉴트리노의 효과적인 메이저나 질량을 생성한다.
• R-대칭 위반 하에서 LHC 물리학을 분석하며, 가장 가벼운 스퍼파트클(LSP)이 즉각적이거나 이격된 꼬리점으로 붕괴하여 다중 레프톤/타우/제트/광자 + 미량 에너지 끝 상태를 생성한다.
• 중성미온을 어두운 물질 후보로 평가하며, 중력과 작은 R-대칭 위반 쿠플링에 의해 수명이 억제된다.
• 62개월 분량의 데이터를 사용한 Fermi-LAT 분석을 수행하며, 밀키웨이 은하형성에 에이나스토 프로파일을 적용하고, |b| > 60° 범위에서 신호 대 배경 비율이 높은 ROI를 선별한다.
• 스펙트럼 라인 탐색을 통해 중성미온의 질량과 수명을 제약하며, 단색 감마선의 비관측에 기반한 95% 신뢰수준 상한선을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 µνSSM는 기본적인 µ 항 없이도 µ 문제를 해결하고 중성미온 데이터를 재현할 수 있는가?
• RQ2 R-대칭 위반과 비안정한 LSP로 인해 µνSSM에서 예상되는 새로운 LHC 신호는 무엇인가?
• RQ3 붕괴하는 중성미온은 µνSSM에서 타당한 어두운 물질 후보인가? 그리고 그 탐지 가능한 서명은 무엇인가?
• RQ4 Fermi-LAT 감마선 데이터를 통해 중성미온 질량과 수명에 어떤 제약을 둘 수 있는가?
• RQ5 은하형성 프로파일의 불확실성과 ROI 선택이 중성미온 붕괴 파rameter에 대한 제약에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• µνSSM는 오른쪽 수체 스넬루아노 기대값을 통해 효과적인 µ 항을 생성하여 기본적인 µ 항 없이도 µ 문제를 해결한다.
• κijk 쿠플링과 ν̃c_i 기대값을 포함한 세이프 메커니즘을 통해 관측된 중성미온 질량과 혼합 각도를 재현한다.
• R-대칭 위반은 LSP 붕괴로 인해 즉각적 또는 이격된 꼬리점으로 이어지며, 다중 레프톤/타우/제트/광자 및 미량 에너지 끝 상태를 생성한다.
• 62개월 관측의 Fermi-LAT 데이터는 중성미온 질량에 대해 95% 신뢰수준 상한선 4.8 GeV를 설정하였으며, 어두운 물질이 모두 중성미온이라면 수명 하한선은 7.9 × 10²⁷ s이다.
• 3체 붕괴의 초보적 탐색 결과, 일부 매개변수 영역에서는 중성미온 질량 상한선이 약 20 GeV까지 올라가고, 수명 하한선은 약 10²⁵ s까지 낮아질 수 있음을 시사한다.
• 이론적으로 유리한 µνSSM 매개변수 영역은 중성미온 질량 <5–20 GeV 및 수명 >10²⁵–10²⁸ s 범위로 제약을 받으며, 모델 부문에 따라 달라진다.