[논문 리뷰] Snowmass whitepaper: Exploring natural SUSY via direct and indirect detection of higgsino-like WIMPs

Howard Baer, V. Barger외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 18.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 6인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 방사형으로 유도된 자연스러운 슈퍼대칭(RNS) 모델에서 힉시노 유사 WIMP을 조사한다. 여기서 전자기적 자연스러움은 질량이 약 125 GeV에 가까운 가벼운 힉시노를 요구하며, 열적 잔여 밀도는 억제된다. 비표준 WIMP 잔여 밀도로 인해 탐지율을 재스케일링하더라도, 톤 스케일의 희귀가스 액체 검출기인 Xe-1-ton은 여전히 전체 매개변수 공간을 탐색할 수 있으며, 신호가 발견되지 않으면 자연스러운 슈퍼대칭을 배제하거나 WIMP을 발견할 수 있다.

ABSTRACT

Supersymmetric models with low electroweak fine-tuning contain light higgsinos with mass not too far from m_h\simeq 125 GeV, while other sparticles can be much heavier. In the R-parity conserving MSSM, the lightest neutralino is then a higgsino-like WIMP (albeit with non-negligible gaugino components), with thermal relic density well below measured values. This leaves room for axions (or other, perhaps not as well motivated, stable particles) to function as co-dark matter particles. The local WIMP abundance is then expected to be below standard estimates, and direct and indirect detection rates must be accordingly rescaled. We calculate rescaled direct and indirect higgsino-like WIMP detection rates in SUSY models that fulfil the electroweak naturalness condition. In spite of the rescaling, we find that ton-scale noble liquid detectors can probe the entire higgsino-like WIMP parameter space, so that these experiments should either discover WIMPs or exclude the concept of electroweak naturalness in R-parity conserving natural SUSY models. Prospects for spin-dependent or indirect detection are more limited due in part to the rescaling effect.

연구 동기 및 목표

• 낮은 전자기적 미세조정을 가진 RNS 모델에서 힉시노 유사 WIMP의 탐지 가능성 평가
• 측정된 CDM 밀도에 못 미치는 힉시노 유사 WIMP로 인한 RNS 모델 내 열적 잔여 밀도 억제를 고려
• 지역 WIMP 밀도 요소 ξ = Ω_TP h² / 0.12를 기반으로 직접 및 간접 탐지율 재스케일링
• 앞서 나올 실험들인 Xe-1-ton, LUX, IceCube의 탐지 가능성 평가를 통해 RNS 전체 매개변수 공간 탐색 가능성 평가
• 혼합된 축자-와임프 어둠물질 시나리오가 WIMP 탐지율을 추가로 억제하고 실험적 탐지 범위에 영향을 미칠 수 있는지 확인

제안 방법

• RNS 시나리오에서 전자기적 자연스러움을 만족시키기 위해 Δ_EW < 50 및 Δ_EW < 100 조건을 적용한 NUHM2 매개변수 공간 사용
• 힉시노 유사 중성미의 열적 잔여 밀도 Ω_TP h² 계산 후, 직접 및 간접 탐지율에 재스케일링 요소 ξ = Ω_TP h² / 0.12 적용
• 스핀 독립 및 스피너 의존 직접 탐지 단면적 계산 후, 각각 ξ 및 ξ²로 재스케일링하여 지역 WIMP 밀도 감소 반영
• 간접 탐지율은 지역 WIMP 밀도의 제곱에 비례하므로 ξ²로 재스케일링하며, 특히 γ선 및 양전자 신호에 해당
• Fermi LAT(γ선), IceCube(중성미), COUPP(스핀 의존) 실험의 제약 조건을 포함하여, 제한된 값과 재스케일링된 이론적 예측 비교
• 우주론적 시나리오로 축자 및 사크시온 붕괴를 고려하여 엔트로피 확장 및 공반화 효과를 모델링하고 최종 WIMP 밀도에 영향을 미침

실험 결과

연구 질문

• RQ1 낮은 열적 잔여 밀도에도 불구하고, Xe-1-ton과 같은 톤 스케일의 희귀가스 액체 검출기가 RNS 모델 내 힉시노 유사 WIMP의 전체 매개변수 공간을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 Ω_TP h² / 0.12로 정의된 요소 ξ에 의한 탐지율 재스케일링이 직접 및 간접 탐지 실험의 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 엔트로피 확장에 의해 발생하는 상당한 양의 축자-와임프 어둠물질 혼합 시나리오에서 지역 WIMP 밀도가 얼마나 더 억제되고 탐지가 얼마나 더 어렵게 되는가?
• RQ4 적절한 탐지율 재스케일링 후 IceCube 및 Fermi LAT의 현재 제한이 RNS 매개변수 공간을 이미 압박하고 있는가?
• RQ5 IceCube 제한이 평형 수확에 의존하고 재스케일링되지 않기 때문에, 태양이 WIMP을 수확하고 붕괴시키는 간접 탐지 방식이 여전히 RNS 모델을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 CDM 값보다 일반적으로 5~15배 낮은 열적 잔여 밀도를 가짐에도 불구하고, Xe-1-ton과 같은 톤 스케일의 희귀가스 액체 검출기는 RNS 모델 내 전체 힉시노 유사 WIMP 매개변수 공간을 탐색할 수 있다.
• 재스케일링된 스핀 독립 직접 탐지 단면적은 여전히 Xe-1-ton의 탐지 범위 내에 있어, 자연스러운 슈퍼대칭의 발견 또는 배제 가능성이 있다.
• 재스케일링 후 COUPP의 스핀 의존 산란 제한은 여전히 예측된 RNS 탐지율보다 약 1개 정도 높다.
• IceCube의 현재 스핀 의존 WIMP 산란 제한은 RNS 매개변수 공간 내 가장 큰 σ^SD(˜Z₁p) 값을 배제하지만, 신호 영역은 부분적으로 타당성이 있다.
• WIMP 붕괴가 WW 최종 상태로 인한 γ선 라인에 대한 Fermi LAT 제한은 ξ² 재스케일링 요소로 인해 아직 RNS 매개변수 공간에 도달하지 못했다.
• 사크시온 붕괴에 의해 상당한 엔트로피 확장이 발생하는 시나리오에서는 지역 WIMP 밀도가 추가로 억제될 수 있으며, 이는 탐지에 더욱 어려움을 줄 수 있다.