[논문 리뷰] Sparticle Spectroscopy at LHC-Run3 and LSP Dark Matter in light of Muon g-2

Qaisar Shafi, Cem Salih Ün|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 GUT 스케일에서 비균일한 가우지노 및 스퍼펌이온 질량을 가진 초대칭 GUT 모델을 제안하여, 4.2σ 수준의 뮤온 g-2 측정치 간극을 조화롭게 조율한다. 더 가벼운 루프톤(300–800 GeV)과 카이너신(최대 약 800 GeV)을 允허함으로써, 카이너신–중성노의 고리에 의해 뮤온 g-2 기여가 증가하며, LHC-Run3는 68% 신뢰수준에서 최대 700 GeV까지 카이너신 질량을 탐지할 것으로 기대된다. 또한 암흑물질의 잔류 밀도는 스퍼펌이온–카이너신 공반산화를 통해 만족된다.

ABSTRACT

Inspired by the latest measurement of muon g-2 by the Fermilab Experiment, we revisit a class of supersymmetric models in which non-universality at M_GUT allows us to realize relatively light sleptons in the few hundred GeV range. These sleptons provide additional contributions to muon g-2 that can be arranged to reconcile theory and experiment. The solutions compatible with the muon g-2 resolution typically predict light sleptons, charginos and neutralinos. We show how these solutions can be probed during LHC-Run3. A direct impact on the chargino mass is observed such that the chargino can be probed up to about 800 GeV during the Run3 experiments. Despite such a direct impact, it is still possible to realize lighter chargino masses which can escape detection due to the chirality mixture of the lighter slepton states. The colored squarks as well as the gluino turn out to be heavier than about 3-4 TeV if the LSP neutralino satisfies the Planck bound on the dark matter relic abundance. We highlight a variety of benchmark points and, in particular, coannihilation scenarios with dark matter candidates that will be tested in the ongoing and planned direct and indirect detection experiments. By relaxing the requirement that the LSP neutralino saturates the relic dark matter abundance, we are able to find solutions with gluino and squark masses in a range that may be accessible at LHC-Run3.

연구 동기 및 목표

• 초대칭을 사용하여 4.2σ 수준의 뮤온 비정상 자기모멘트(g-2) 간극을 해결한다.
• 비균일한 GUT 스케일 질량을 통해 가벼운 루프톤(수백 GeV 수준)과 무거운 스퀘어크 및 글루아노(3–4 TeV)를 조화롭게 조율한다.
• 플랑크 잔류 밀도 기준을 만족하는 모델에서 LHC-Run3가 접근 가능한 카이너신 및 암흑물질의 서명을 식별한다.
• 가벼운 루프톤, 카이너신, 스토우를 포함한 공반산화 메커니즘을 탐색하여 타당한 암흑물질 후보를 실현한다.
• 잔류 밀도 제약 조건 하에서 글루아노 및 스퀘어크 질량이 3–4 TeV 범위일 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• GUT 스케일에서 비균일한 가우지노 및 스퍼펌이온 질량을 가진 초대칭 GUT 모델을 구현하여, 게이지 커플링 통합을 유지한다.
• M_GUT에서 전자약력 스케일까지의 양자역학적 군집 진화를 사용하여, 첫 번째/두 번째 가족의 루프톤과 스퀘어크 간 질량 분리를 생성한다.
• 카이너신–중성노 및 스모이온–스누트리노 고리에서 뮤온 g-2에 기여하는 기여를 계산하며, 측정자성 전환 및 혼합 효과에 중점을 둔다.
• 실험적 제약 조건 적용: 뮤온 g-2의 편차(Δa_μ = 25.1±5.9×10⁻¹⁰), 플랑크 암흑물질 잔류 밀도, 스파르티클에 대한 LHC 제약 조건.
• 모델 매개변수(예: μ, tanβ, A_μ, m_0, M_1/2)에 대한 몬테카를로 스캔을 수행하여 타당한 벤치마크 포인트를 식별한다.
• LHC-Run3의 카이너신 쌍 생성 감도를 시뮬레이션하여, m_χ̃₁± > 500–700 GeV 범위에서 68% 및 95% 신뢰수준에서의 발견 가능 범위를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 M_GUT에서 비균일한 스퍼펌이온 및 가우지노 질량이 관측된 뮤온 g-2 이질현상을 조율하면서도 게이지 커플링 통합을 유지할 수 있는가?
• RQ2 뮤온 g-2 데이터와 일치하는 모델에서 LHC-Run3가 접근 가능한 최대 카이너신 질량은 얼마인가?
• RQ3 루프톤, 스토우, 카이너신을 포함한 공반산화 과정은 LSP 중성노의 잔류 밀도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 글루아노 및 스퀘어크 질량이 3–4 TeV 수준일 수 있으며, 플랑크 암흑물질 잔류 밀도 기준을 만족할 수 있는가?
• RQ5 카이너신 및 중성노 구성(예: Wino-유사)은 LHC-Run3에서 초대칭 신호의 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• LHC-Run3는 뮤온 g-2 이질현상을 해결하는 모델에서 약 700 GeV까지 카이너신 질량을 68% 신뢰수준에서 탐지할 수 있으며, 95% 신뢰수준에서는 600 GeV까지 가능하다.
• 모델은 스퍼펌이온 질량을 300–800 GeV 범위로 예측하며, 스토우는 최대 3 TeV에 이르며, 카이너신–중성노 고리에 의해 뮤온 g-2에 상당한 기여를 한다.
• LSP 중성노와 첫 번째/두 번째 가족의 루프톤 또는 카이너신을 포함한 공반산화 과정은 5σ 범위 내에서 플랑크가 관측한 암흑물질 잔류 밀도를 충족시킨다.
• Bino-유사 LSP와 Wino-유사 카이너신을 가진 해법은 비교적 낮은 스핀-독립적 암흑물질 산란 횡단면(약 10⁻¹⁰ pb)을 유도하며, 향후 직접 탐지 기술의 업그레이드가 필요하다.
• 모델은 글루아노 및 스퀘어크 질량이 3–4 TeV 수준일 수 있으며, 잔류 밀도 제약 조건을 만족시켜 LHC-Run3에서 접근 가능할 수 있다.
• 뮤온 g-2에 대한 주요 기여는 Bino 및 Wino 고리에서 유래하며, 특정 매개변수 공간 영역에서는 힉스ино 기여도 비중요하지 않게 된다.