[논문 리뷰] Supersymmetry with radiatively-driven naturalness: implications for WIMP and axion searches

Kyu Jung Bae, Howard Baer외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 13.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 5인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 CP 문제를 해결하기 위해 DFSZ 유사한 악시온 메커니즘을 채택한 복사에 의해 구동되는 자연스러운 초대칭(RNS) 프레임워크를 제안한다. 이 모형은 전자약력 및 QCD 부문에서의 자연스러움을 통합하여, 악시온이 지배적인 암흑물질 조성과 보조적인 히그지노 유사 WIMP 성분을 가진다. 이 모형은 동반된 볼츠만 방정식을 동시에 풀어 악시노, 색삭션, WIMP의 고립 상태를 분석함으로써 WIMP 탐지율이 감소한 채로도 톤 스케일의 희귀가스 검출기가 전체 매개변수 공간을 탐사할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

By insisting on naturalness in both the electroweak and QCD sectors of the MSSM, the portrait for dark matter production is seriously modified from the usual WIMP miracle picture. In SUSY models with radiatively-driven naturalness (radiative natural SUSY or RNS) which include a DFSZ-like solution to the strong CP and SUSY mu problems, dark matter is expected to be an admixture of both axions and higgsino-like WIMPs. The WIMP/axion abundance calculation requires simultaneous solution of a set of coupled Boltzmann equations which describe quasi-stable axinos and saxions. In most of parameter space, axions make up the dominant contribution of dark matter although regions of WIMP dominance also occur. We show the allowed range of PQ scale f_a and compare to the values expected to be probed by the ADMX axion detector in the near future. We also show WIMP detection rates which are suppressed from usual expectations because now WIMPs comprise only a fraction of the total dark matter. Nonetheless, ton-scale noble liquid detectors should be able to probe the entirety of RNS parameter space. Indirect WIMP detection rates are less propitious since they are reduced by the square of the depleted WIMP abundance.

연구 동기 및 목표

• MSSM 프레임워크 내에서 전자약력 및 QCD 부문에서의 자연스러움을 통합하기 위해.
• 복사에 의해 구동되는 자연스러움(RNS)이 암흑물질 조성에 미치는 영향, 특히 악시온과 히그지노 유사 WIMP 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• 악시온, WIMP, 악시노, 색삭션의 잔류 밀도를 동반된 볼츠만 방정식을 통해 계산하기 위해.
• RNS 시나리오 하에서 직접 및 간접 탐지 실험에서 WIMP와 악시온의 탐지 가능성 평가하기 위해.
• 악시온의 붕괴 상수 $f_a$의 허용 범위를 결정하고, 특히 ADMX의 향후 실험 감도와 비교하기 위해.

제안 방법

• 게이지 질량 통일과 DFSZ 유사한 악시온 해법을 통해 강한 CP 문제와 $μ$ 문제를 동시에 해결하는 복사에 의해 구동되는 자연스러운 초대칭(RNS) 모형을 채택한다.
• 준안정 상태인 악시노, 색삭션, WIMP에 대한 동반된 볼츠만 방정식을 동시에 풀어 그 잔류 밀도를 계산한다.
• 악시온의 오차 조정 메커니즘, 열적 생성, 색삭션 붕괴 등의 생성 메커니즘을 포함한다.
• 중요한 입자(예: 색삭션, 중성미노)의 붕괴로 인한 늦은 시점의 엔트로피 주입을 고려하여 잔류 밀도를 희석시킨다.
• WIMP 탐지율을 표준 단면적을 WIMP 잔류 밀도 비율 $\xi = \Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 / 0.12$로 스케일링하여 계산한다.
• 예측된 WIMP 및 악시온 신호를 현재 및 향후 실험 제한 조건과 비교한다. 이는 간접 탐지에 대한 페르미 LAT와 악시온 탐지에 대한 ADMX를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 CP 문제를 동시에 해결하는 복사에 의해 구동되는 자연스러운 초대칭 모형에서 암흑물질 조성은 어떻게 되는가?
• RQ2 악시노, 색삭션, WIMP에 대한 동반된 볼츠만 방정식은 악시온과 WIMP의 잔류 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 WIMP의 직접 및 간접 탐지율이 RNS 프레임워크에서 암흑물질의 보조 성분으로서 기여하는 바가 작기 때문에 얼마나 감소하는가?
• RQ4 RNS 모형에서 악시온 붕괴 상수 $f_a$의 허용 범위는 무엇이며, 향후 실험 감도와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 감소된 WIMP 밀도에도 불구하고 톤 스케일의 희귀가스 검출기가 RNS 전체 매개변수 공간을 탐사할 수 있는가?

주요 결과

• RNS 매개변수 공간의 대부분에서 악시온이 암흑물질의 주요 성분을 차지하고 있으며, WIMP은 보조 성분이다.
• WIMP의 잔류 밀도는 $\xi = \Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 / 0.12$ 요인으로 감소하여 직접 탐지 단면적은 $\xi$ 비례로 감소하고 간접 탐지율은 $\xi^2$ 비례로 감소한다.
• 톤 스케일의 희귀가스 검출기는 감소된 WIMP 밀도에도 불구하고 전체 RNS 매개변수 공간을 탐사할 수 있다.
• 간접 탐지(예: 감마선 또는 반물질)는 $\xi^2$ 요인으로 심각하게 억제되어, WIMP 지배 영역 이외에서는 탐지가 어렵다.
• 악시온 붕괴 상수 $f_a$의 허용 범위는 제약을 받으며, 향후 ADMX 실험의 감도 범위와 겹친다.
• 모형은 RNS 내에서 단일한 DFSZ 유사한 악시온 메커니즘을 통해 전자약력 계층 문제와 강한 CP 문제를 일관되게 해결한다.