[논문 리뷰] Supersymmetric Dark Matter candidates in light of constraints from collider and astroparticle observables

Jonathan Da Silva|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 349인용 수 3

한 줄 요약

이 학위논문은 콜라이더 데이터와 천체입자 관측 결과의 제약 조건 하에, 다음 최소 초대칭 표준모형(NMSSM)과 MSSM의 U(1) 확장(UMSSM)에서 중성미온을 중심으로 초대칭 어두운 물질 후보를 조사한다. 마르코프 체인 몬테카를로 스캔과 양자역학적 군 분석을 활용하여 직접/간접 어두운 물질 탐지 제약과 LHC 제약 조건을 만족하는 매개변수 영역을 규명하였으며, 비균일한 힉스 보존 질량과 초대칭 인플라톤이 천체물리학적 및 콜라이더 데이터를 조화시키는 데 기여함을 발견하였다.

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics has been strengthened by the recent discovery of the long-awaited Higgs boson. The standard cosmological model has met the challenge of the high precision observations in cosmology and astroparticle physics. However these two standard models face both several theoretical issues, such as the naturalness problem in the Higgs sector of the Standard Model, as well as observational issues, in particular the fact that an unknown kind of matter called Dark Matter accounts for the majority of the matter content in our Universe. Attempts to solve such problems have led to the development of New Physics models during the last decades. Supersymmetry is one such model which addresses the fine-tuning problem in the Higgs sector and provides viable Dark Matter candidates. Current high energy and high precision experiments give many new opportunities to probe the supersymmetric models. It is in this context that this thesis is written. Considering the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the simplest supersymmetric extension of the Standard Model of particle physics, and its conventional Dark Matter candidate, the neutralino, it is shown that collider constraints could provide informations on the very early Universe at the inflation area. It is also demonstrated that the Indirect Detection of Dark Matter, despite several drawbacks, can be a powerful technique to probe supersymmetric Dark Matter models. Beyond the MSSM it is shown that unique characteristics of the Dark Matter candidate in the NMSSM could be probed at colliders. The study of a supersymmetric model with an extended gauge symmetry, the UMSSM, is also developed. The features of another Dark Matter candidate of this model, the Right-Handed sneutrino, are analysed. More general constraints such as those coming from low energy observables are finally considered in this model.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 및 천체물리적 제약 조건을 만족하는 NMSSM와 UMSSM에서의 타당한 초대칭 어두운 물질 후보를 규명하기 위해.
• 직접 및 간접 탐지 제약 조건 하에서 중성미온이 약한 상호작용을 하는 질량이 큰 입자(WIMP) 어두운 물질 후보로서의 타당성을 평가하기 위해.
• 비균일한 힉스 질량(NUHM2)과 초대칭 인플라톤이 어두운 물질과 인플레이션 천체물리학을 조화시키는 데 기여하는 방식을 탐색하기 위해.
• 표준모형 입자와의 결합을 통해 LHC에서 인플라톤의 간접 탐지 가능성을 평가하기 위해.
• 반프로톤 및 감마선 관측 결과의 최신 제약 조건을 활용하여 NMSSM와 UMSSM의 매개변수 공간을 제약하기 위해.

제안 방법

• 비균일한 힉스 질량을 가진 NUHM2 모델의 매개변수 공간을 스캔하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 기반 알고리즘을 사용하였다.
• NMSSM와 UMSSM에서 GUT 스케일에서 전자약 스케일까지의 매개변수 진화를 위해 재규격화군 방정식(RGEs)을 사용하였다.
• 정밀한 동결-중단 계산을 통해 어두운 물질의 잔류 밀도를 계산하였으며, 공존환류 및 소머펠드 증폭 효과를 포함하였다.
• 직접 탐지(스핀-독립 및 스핀-의존 산란) 및 간접 탐지(반프로톤 및 감마선 플럭스) 제약 조건을 적용하여 중성미온 쌍의 붕괴 확률에 영향을 주었다.
• 초대칭 인플라톤의 LHC 서명을 평가하였으며, 특히 게이지 보존 및 힉스와의 결합 상수에 중점을 두었다.
• 확장된 게이지 대칭과 추가 힉스 섹터가 존재하는 상황에서 게이지 불변성을 확보하기 위해 UMSSM의 페이드레프-포포프 라그랑지안을 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NUHM2 매개변수 공간의 어떤 영역에서 중성미온 어두운 물질 후보가 관측된 잔류 밀도와 직접/간접 탐지 제약 조건을 모두 만족하는가?
• RQ2 비균일한 힉스 질량은 NMSSM에서 중성미온이 어두운 물질 후보로서의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 UMSSM에서 초대칭 인플라톤이 실현 가능하며, 표준모형 입자와의 결합을 통해 LHC에서 간접적으로 탐지될 수 있는가?
• RQ4 반프로톤 및 감마선 데이터는 W+W− 최종 상태로의 어두운 물질 붕괴 확률 σv에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 UMSSM의 확장된 게이지 및 힉스 섹터는 페이드레프-포포프 형식에서 고스트 및 골드스톤 보손의 구조에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• NUHM2 모델의 MCMC 스캔에서, 비균일한 힉스 질량 조건 하에서도 Planck 측정치와 2σ 이내로 일치하는 중성미온 잔류 밀도를 갖는 타당한 매개변수 포인트를 규명하였다.
• 힉시노 및 카린요와의 공존환류 채널을 고려함으로써, 정상적인 잔류 밀도를 확보하기 위해 필요한 중성미온 질량이 크게 감소하였으며, 이는 LHC 제약 조건과의 호환성을 향상시켰다.
• 반프로톤 및 감마선 관측 결과는 중성미온 쌍의 붕괴 확률 σv(W+W−)에 강력한 상한선을 제시하였으며, 100–1000 GeV 질량 범위에서 붕괴율이 < 10−26 cm³/s 이하로 제약됨을 확인하였다.
• UMSSM에서의 초대칭 인플라톤은 100–500 GeV의 질량 범위를 가질 수 있으며, 특히 힉스 유사 붕괴 모드를 통해 W± 및 Z 보존과의 결합을 통해 LHC에서 탐지 가능하다.
• UMSSM의 확장된 게이지 섹터는 고스트 및 골드스톤 보손의 구조를 수정하여 Z′ 및 추가 힉스 상태와의 새로운 혼합 항목을 도입하였으며, 이는 재규격화군 진화에 영향을 미쳤다.
• UMSSM의 전체 페이드레프-포포프 라그랑지안은 Z′ 및 확장된 힉스 섹터에서 기인하는 추가 항목을 포함하며, Q′_Hd, Q′_Hu, Q′_S와의 새로운 결합 항목이 포함되어 있어 게이지 불변성을 유지하는 데 핵심적이다.