[논문 리뷰] Supersymmetric Dark Matter - a Review

Leszek Roszkowski|ArXiv.org|1993. 02. 13.

Dark Matter and Cosmic Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 1993년 논문은 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 가장 가벼운 중성보가 타당한 암흑물질 후보로 가능함을 조사하며, 이것이 가장 자연스럽게 가우지노 유형이며 질량 범위 20–150 GeV로 제약됨을 보여준다. 이 논문은 천체물리적 및 입자물리적 실험 제약 조건이 sfermion 질량이 LEP와 테바트론의 탐지 한계를 초월하지만 SSC와 LHC에서 접근 가능함을 보이며, 중성보가 향후 암흑물질 탐색의 유망한 대상임을 입증한다.

ABSTRACT

I address the question of whether supersymmetry provides a viable candidate for the dark matter in the Universe. I review the properties of the lightest neutralino as a candidate for solving the dark matter problem. I discuss the neutralino's phenomenological and cosmological properties, and constraints from present and future experiments. In the minimal supersymmetric model, the neutralino mass has been experimentally excluded below some $20$ GeV, and is not expected to be significantly larger than about $150$ GeV. I identify a gaugino-like neutralino as the most natural dark matter candidate for a plausible range of parameters. The requirement that the lightest neutralino be the dominant matter component in the flat Universe provides non-trivial restrictions on other parameters of the model, in particular on the masses of the sfermions. Next, I study the consequences of adopting further grand unification assumptions. In both scenarios I find sfermion masses most likely beyond the reach of LEP 200 and the Tevatron but well within the discovery potential of the SSC and the LHC. I also comment on the effects of relaxing grand unification assumptions. Finally, I briefly outline prospects for the neutralino dark matter searches.

연구 동기 및 목표

• 초대칭이 천체적 암흑물질에 대해 타당한 후보를 제공하는지 평가하기.
• 최소 초대칭 표준모형(MSSM)에서 가장 가벼운 중성보의 현상학적 및 천체물리적 성질 분석하기.
• 평탄한 우주에서 중성보가 주요 물질 성분임을 가정할 경우 다른 모델 매개변수에 미치는 영향 규명하기.
• 대통합가정이 중성보 암흑물질의 타당성과 탐지 가능성에 미치는 영향 탐색하기.
• 미래의 충돌기인 SSC와 LHC에서 중성보의 발견 가능성을 평가하기.

제안 방법

• 최소 초대칭 표준모형(MSSM)의 맥락에서 중성보의 구성과 질량 분석하기.
• 우주론적 제약 조건을 적용하여 가장 가벼운 중성보의 잔류 밀도 결정하기.
• LEP와 테바트론의 실험적 제약 조건을 활용해 약 20 GeV 이하의 중성보 질량 제외하기.
• 대통합가정이 sfermion과 중성보 질량 패턴에 미치는 영향 평가하기.
• 미래 충돌기(SSC, LHC)의 sfermion과 중성보 탐지 가능 범위 예측하기.
• 직접 및 간접 탐지 가능성에 기반한 중성보 암흑물질 탐지 가능성 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MSSM에서 가장 가벼운 중성보가 타당한 암흑물질 후보가 될 수 있는가?
• RQ2 중성보의 질량과 구성에 대해 천체물리적 및 현상학적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 대통합가정이 sfermion과 중성보의 예측 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 SSC와 LHC에서 중성보 암흑물질의 예상 발견 가능성은 어떠한가?
• RQ5 중성보가 주요 물질 성분이라면 다른 초대칭 입자 질량에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실험적 제약 조건에 의해 가장 가벼운 중성보는 약 20 GeV 이하에서는 암흑물질 후보로 배제된다.
• 최소 초대칭 모형에서 중성보 질량은 약 150 GeV를 초과하지 않을 것으로 예측된다.
• 가우지노 유형의 중성보는 모델 매개변수의 타당한 범위에서 가장 자연스러운 암흑물질 후보로 규명된다.
• 평탄한 우주에서 가장 가벼운 중성보가 물질 밀도를 지배해야 한다는 조건은 sfermion 질량에 비자명한 제약을 가한다.
• sfermion 질량은 LEP 200과 테바트론의 탐지 한계를 초월하지만, SSC와 LHC에서는 잘 탐지 가능할 것으로 예측된다.
• 대통합가정을 완화하면 더 넓은 매개변수 공간이 허용되지만, 탐지 가능성에 대한 핵심 결론은 여전히 탄탄하다.