[논문 리뷰] Supersymmetric Dark Matter after LHC Run 1

Emanuele Bagnaschi, O. L. Buchmueller외 14명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 87인용 수 42

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 1 이후 MSSM에서 경량 중성미자인 초대칭 어둠성 물질이 관측된 천체론적 잔여 밀도를 어떻게 달성하는지 분석한다. 주요 메커니즘으로는 스터우와의 공존형, 스토퍼나 치아린과의 공존형, 힉스 또는 Z 보손 공명, 힉스ино 성분을 규명하고, LHC에서의 에너지 손실 및 장수 입자 탐지 실험과 직접 탐지 실험(LZ, Darwin)을 조합하여 대부분의 영역을 탐사할 수 있음을 보여준다. 특히 공존형과 펌프 영역은 상호보완적인 LHC 및 직접 탐지 전략을 통해 가장 쉽게 접근 가능하다.

ABSTRACT

Different mechanisms operate in various regions of the MSSM parameter space to bring the relic density of the lightest neutralino, neutralino_1, assumed here to be the LSP and thus the Dark Matter (DM) particle, into the range allowed by astrophysics and cosmology. These mechanisms include coannihilation with some nearly-degenerate next-to-lightest supersymmetric particle (NLSP) such as the lighter stau (stau_1), stop (stop_1) or chargino (chargino_1), resonant annihilation via direct-channel heavy Higgs bosons H/A, the light Higgs boson h or the Z boson, and enhanced annihilation via a larger Higgsino component of the LSP in the focus-point region. These mechanisms typically select lower-dimensional subspaces in MSSM scenarios such as the CMSSM, NUHM1, NUHM2 and pMSSM10. We analyze how future LHC and direct DM searches can complement each other in the exploration of the different DM mechanisms within these scenarios. We find that the stau_1 coannihilation regions of the CMSSM, NUHM1, NUHM2 can largely be explored at the LHC via searches for missing E_T events and long-lived charged particles, whereas their H/A funnel, focus-point and chargino_1 coannihilation regions can largely be explored by the LZ and Darwin DM direct detection experiments. We find that the dominant DM mechanism in our pMSSM10 analysis is chargino_1 coannihilation: {parts of its parameter space can be explored by the LHC, and a larger portion by future direct DM searches.

연구 동기 및 목표

• CMSSM, NUHM1, NUHM2, pMSSM10 매개변수 공간에서 경량 중성미자가 관측된 잔여 밀도를 재현하는 주요 어둠성 물질 메커니즘을 규명하기 위해.
• 이러한 모델들에서 각 주요 어둠성 물질 메커니즘과 관련된 실험적 서명을 규명하기 위해.
• 주요 어둠성 물질 생성 메커니즘에 기반해 LHC와 직접 어둠성 물질 탐지 실험에서 초대칭의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• LHC 탐지(예: 미량 운동량, 장수 입자)와 직접 탐지 실험(LZ, Darwin) 간의 상호보완성을 평가하여 MSSM 매개변수 공간의 다양한 영역을 탐사하는 데 기여하기 위해.
• 미래 LHC 및 직접 탐지 결과를 기반으로 어둠성 물질 메커니즘의 체계적 해석 틀을 제공하기 위해.

제안 방법

• CMB 측정값에서의 잔여 밀도 제약($\Omega_{\rm CDM}h^2 = 0.1186 \pm 0.0020$)을 포함하여 CMSSM, NUHM1, NUHM2, pMSSM10 모델에 대한 전역 피팅을 수행한다.
• 질량 비슷한 영역을 임계값을 사용해 정의한다: $|m_{\tilde{\tau}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.15$는 $\tilde{\tau}_1$ 공존형을 위한 기준이며, $|m_{\tilde{\chi}^{\pm}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.1$은 $\tilde{\chi}^{\pm}_1$ 공존형을 위한 기준이며, $\tilde{t}_1$의 경우도 동일한 방식으로 적용한다.
• 공명 붕괴를 통한 붕괴를 통해 $h$, $Z$, 또는 $H/A$ 보손을 통해 발생하는 펌프 영역을 식별하며, 이는 $m_{\tilde{\chi}^0_1} \approx m_{\rm boson}/2$ 조건을 만족해야 한다.
• LSP에 상당한 힉스ино 성분이 포함된 경우를 포커스 포인트 영역으로 식별하며, 이는 $\mu$ 및 $\tan\beta$ 값에 의해 결정된다.
• 모델 특화 신호 예측을 사용하여 LHC 탐지(예: $E_T$-손실, 장수된 양성자) 및 직접 탐지 실험(LZ, Darwin)의 민감도를 각 메커니즘에 대해 평가한다.
• 통계적 분석을 통해 각 영역의 탐지 가능성 평가를 수행하며, 특히 콜리더와 직접 탐지 실험 간의 상호보완성에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 런 1 이후 CMSSM, NUHM1, NUHM2, pMSSM10 매개변수 공간에서 주로 작용하는 어둠성 물질 메커니즘은 공존형, 공명 붕괴, 또는 힉스ино 성분 중 무엇인가?
• RQ2 이러한 메커니즘의 실험적 서명은 어떻게 다를지, 그리고 LHC에서의 에너지 손실 및 장수 입자 탐지에 의해 어느 정도 접근 가능한가?
• RQ3 LZ 및 Darwin과 같은 직접 탐지 실험은 동일한 매개변수 공간 영역을 어느 정도 탐사할 수 있는가?
• RQ4 각 모델에서 주로 작용하는 어둠성 물질 메커니즘에 따라 초대칭의 탐지 가능성은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 현재 LHC 탐지로는 탐사하지 못한 pMSSM10 매개변수 공간의 비율은 얼마이며, 향후 직접 탐지 실험으로는 어느 정도 접근 가능한가?

주요 결과

• CMSSM, NUHM1, NUHM2에서 $|m_{\tilde{\tau}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.15$ 영역에서는 $\tilde{\tau}_1$ 공존형이 지배적이며, 이러한 영역는 LHC의 $E_T$-손실 및 장수된 양성자 탐지로 대부분 접근 가능하다.
• CMSSM, NUHM1, NUHM2에서 $\tilde{\chi}^{\pm}_1$ 공존형 및 포커스 포인트 영역는 주로 LZ 및 Darwin과 같은 직접 탐지 실험에 의해 탐지된다.
• 이 모델들에서의 $H/A$ 펌프 영역는 무거운 힉스 보손 탐지 및 직접 탐지 실험을 통해 접근 가능하다.
• pMSSM10에서는 대부분의 매개변수 공간에서 $\tilde{\chi}^{\pm}_1$ 공존형이 주요 어둠성 물질 메커니즘이며, $\tilde{\tau}_1$ 공존형 및 $h/Z$ 펌프 영역에서의 기여는 작다.
• pMSSM10에서 일부 $\tilde{\tau}_1$ 공존형 영역는 직접 탐지로는 접근 불가일 수 있으나, pMSSM10 매개변수 공간의 대부분은 향후 직접 탐지 실험으로 접근 가능하다.
• 현재 pMSSM10 매개변수 공간에서 선호되는 영역에서는 장수 입자 서명이 발견되지 않았으며, 이는 LHC의 $E_T$-손실 및 장수 입자 탐지가 그곳에서는 효과적이지 않을 수 있음을 시사하지만, 직접 탐지는 여전히 매우 관련성이 있다.