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

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

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 우수대칭 모델인 μνSSM을 제안하며, 오른쪽 수체 뉴트리노의 결합을 통해 μ-문제를 해결하고 뉴트리노 질량을 설명함으로써 R-짝성 위반을 유도한다. 이 모델은 LHC에서 이격된 꼬리점과 다중 렙톤/재료/광자를 동반한 미량 에너지를 가진 새로운 신호를 예측하며, 장수명의 글루아티노가 어두운 물질 후보로 나타난다. 페르미-LAT 데이터는 95% 신뢰수준에서 글루아티노 질량을 m₃/₂ < 4.8 GeV 및 수명 τ₃/₂ > 7.9×10²⁷ s로 제약한다. 더 넓은 매개변수 영역에서는 질량이 20 GeV 이하, 수명이 10²⁵ s 이하로 확장될 가능성이 있다.

ABSTRACT

The `$μ$ from $ν$' supersymmetric standard model ($μν$SSM) solves the $μ$ problem of supersymmetric models and reproduces neutrino data, simply using couplings with the three families of right-handed neutrinos $ν$'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 결합을 도입하여 진공 기대값을 통해 효과적인 μ-항을 생성함으로써 초대칭에서 μ-문제를 해결하는 것.
• 삼중항 결합을 통해 유도되는 효과적인 메이저라 질량을 포함한 시즈벡 메커니즘을 통해 뉴트리노 질량과 혼합 각도를 재현하는 것.
• R-짝성 위반 초대칭의 현상학을 μνSSM에서 탐색하여, 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)가 불안정하고 붕괴하여 이격된 꼬리점이 생성되는 것을 연구하는 것.
• 글루아티노가 μνSSM에서 단색 감마선으로 붕괴함을 고려하여 어두운 물질 후보로서의 타당성을 평가하는 것.
• 특히 은하극에서의 단색 감마선 라인 탐색을 통해 페르미-LAT 감마선 데이터를 이용해 글루아티노 질량과 수명을 제약하는 것.

제안 방법

• μνSSM은 삼중항 결합 λᵢν̂ᶜᵢĤᵤĤd 및 1/3κᵢⱼₖν̂ᶜᵢν̂ᶜⱼν̂ᶜₖ를 도입하여 효과적인 μ-항과 오른쪽 수체 뉴트리노의 효과적인 메이저라 질량을 생성한다.
• 효과적인 μ-항은 μ^eff = λᵢ⟨ν̂ᶜᵢ⟩로 주어지며, 여기서 ⟨ν̂ᶜᵢ⟩는 오른쪽 수체 스누트리노의 진공 기대값으로, μ-문제를 동적으로 해결한다.
• R-짝성 보존 항목이 없기 때문에 R-짝성 위반이 발생하며, 이로 인해 LSP가 SM 입자로 붕괴하여 즉각적 또는 이격된 꼬리점이 생성된다.
• 글루아티노 붕괴에서 유래하는 감마선 신호는 밀도 ρ₀ ≈ 0.4 GeV/cm³, rs = 20 kpc, α = 0.17인 Einasto 어두운 물질 헬로 프로파일을 사용하여 계산된다.
• 페르미-LAT 62개월 데이터는 은하극 영역(|b| > 60°)에서 글루아티노 붕괴에서 유래하는 단색 감마선 라인 탐색을 위해 분석된다.
• 신호 대 배경 비율을 사용하여 95% 신뢰수준에서 글루아티노 질량과 수명의 제약을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 μνSSM은 오른쪽 수체 뉴트리노 결합을 통해 μ-문제를 해결하고 뉴트리노 질량을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 R-짝성 위반과 불안정한 LSP로 인해 μνSSM에서 기대되는 새로운 LHC 신호는 무엇인가?
• RQ3 글루아티노가 붕괴함에도 불구하고 μνSSM에서 어떻게 타당한 어두운 물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ4 페르미-LAT 감마선 관측을 통해 글루아티노 질량과 수명에 대해 어떤 제약을 도출할 수 있는가?
• RQ5 다양한 어두운 물질 헬로 프로파일과 매개변수 영역은 글루아티노 붕괴에 대한 유도된 제약에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• μνSSM은 오른쪽 수체 스누트리노의 진공 기대값을 통해 효과적인 μ-항을 생성함으로써 기본 매개변수를 도입하지 않고도 μ-문제를 성공적으로 해결한다.
• 삼중항 결합을 통해 유도되는 효과적인 메이저라 질량을 포함한 일반화된 시즈벡 메커니즘을 통해 뉴트리노 질량과 혼합 각도를 재현한다.
• μνSSM에서의 R-짝성 위반은 불안정한 LSP를 유도하며, 다중 렙톤, 재료, 광자, 미량 에너지 및 즉각적 또는 이격된 꼬리점이 포함된 특징적인 LHC 신호를 생성한다.
• 페르미-LAT 데이터는 어두운 물질이 모두 글루아티노 형태라고 가정할 경우 글루아티노 질량을 m₃/₂ < 4.8 GeV 및 수명 τ₃/₂ > 7.9×10²⁷ s로 95% 신뢰수준에서 제약한다.
• 전체 매개변수 영역의 초보적 탐색 결과, 3체 붕괴 기여에 따라 일부 영역에서는 질량이 m₃/₂ < 20 GeV 및 수명이 τ₃/₂ > 10²⁵ s로 확장될 가능성이 있다.