[논문 리뷰] SuperWIMP dark matter and 125 GeV Higgs boson in the minimal GMSB

Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 중성미자 라이크인 다음으로 안정한 입자(NLSP) 중성보의 붕괴를 통해 비열적 방식으로 생성되는 히그스 보손 질량이 125 GeV이면서 관측된 어둠성 물질 밀도를 동시에 만족시키는 최소 게이지 매개 초대칭 붕괴(mGMSB) 모형을 제안한다. 고정된 tanβ와 메신저 수(Nm) 조건 하에서, 모형은 125 GeV 히그스 보손과 관측된 어둠성 물질 밀도를 동시에 실현하기 위해 초대칭 스펙트럼을 유일하게 결정하며, 이에 따라 NLSP 질량은 1.5–2 TeV, 히그스 보손 질량은 3–7 GeV이 되며, 자유류동 스케일 ~0.1 Mpc는 따뜻은 어둠성 물질 제약 조건과 일치한다.

ABSTRACT

Recently, both the ATLAS and CMS experiments have observed an excess of events that could be the first evidence for a 125 GeV Higgs boson. We investigate an implication of the CP-even Higgs boson with mass around 125 GeV in the context of the minimal gauge mediated supersymmetry breaking (mGMSB). In mGMSB, gravitino is the lightest sparticle (LSP) and hence the dark matter candidate. We consider the so-called superWIMP scenario where the dark matter gravitino is non-thermally produced by the decay of the next-to-LSP (NLSP) bino-like neutralino after its freeze-out. For a given $ an β$ and the number of the messengers ($N_m$) fixed, we find that the rest of the mGMSB parameters, the SUSY breaking parameter and the messenger scale, are completely fixed by the conditions of simultaneously realizing the observed dark matter abundance and the 125 GeV Higgs boson mass, leading to the NLSP neutralino mass around 1.5-2 TeV and the gravitino mass around 3-7 GeV, depending on the values of $ an β$ and $N_m$. The lifetime of the NLSP is found to be shorter than 1 sec, so that the success of the big bang nucleosynthesis remains intact. The non-thermally produced gravitino behaves as the warm dark matter with the free-streaming scale found to be $λ_{ m FS} \simeq 0.1$ Mpc, whose value is reasonable for observations of the power spectrum on both large and sub-galactic scales in the Universe.

연구 동기 및 목표

• 관측된 125 GeV 히그스 보손 질량을 최소 게이지 매개 초대칭 붕괴(mGMSB) 프레임워크와 조화시키는 것.
• 히그스 보손이 비열적으로 생성된 NLSP 붕괴에서 유래하는 초위프( superWIMP) 시나리오가 mGMSB에서 타당한지 조사하는 것.
• NLSP 수명을 제약하여 빅뱅 핵합성(BBN)의 성공을 유지하는 것.
• 비열적으로 생성된 히그스 보손 어둠성 물질이 천체물리 관측과 일치하는 자유류동 스케일을 갖는지 평가하는 것.

제안 방법

• SU(5) GUT 표현과 SU(5)-불변 질량 항을 포함한 최소 메신저 세그먼트를 사용한다.
• 초대칭 붕괴는 게이지 상호작용을 통해 매개되며, 부드러운 질량은 파동함수 정규화와 임계 보정에서 유도된다.
• 히그스 보손 질량은 m_~G = MΛ/(√3 M_P)로 계산되며, 여기서 M_P는 감소된 플랑크 질량이다.
• NLSP 중성보의 붕괴는 χ̃_B → γ + ~G로 일어나며, 수명은 τ_~B ≈ 0.74 초 × (m_~G/1 GeV)^2 × (1 TeV/m_~B)^5로 추정된다.
• 히그스 보손의 자유류동 스케일은 λ_FS ≈ 2v₀t_EQ(1+z_EQ)^2 × log[√(1 + 1/(v₀²(1+z_EQ)²)) + 1/(v₀(1+z_EQ))], v₀ ∝ (m_~B)^(-3/2)로 계산된다.
• 수치적 스펙트럼 생성은 SOFTSUSY 3.3.1를 사용하며, 입력으로 M, Λ, tanβ, Nm, sign(μ)를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mGMSB 모형이 동시에 125 GeV 히그스 보손과 적절한 어둠성 물질 잔류 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 빅뱅 핵합성을 유지하기 위해 NLSP 수명에 어떤 제약이 존재하는가?
• RQ3 비열적으로 생성된 히그스 보손 어둠성 물질이 관측과 일치하는 자유류동 스케일을 갖는가?
• RQ4 m_h = 125 GeV 및 Ω_~G h² = 0.112라는 두 조건을 만족할 때 초대칭 파rameter는 얼마나 유일하게 결정되는가?

주요 결과

• 고정된 tanβ와 Nm 조건 하에서, mGMSB 모형의 매개변수 M와 Λ는 125 GeV 히그스 보손과 적절한 어둠성 물질 잔류 밀도를 확보하기 위해 유일하게 결정된다.
• NLSP 중성보 질량은 tanβ와 Nm에 따라 1.5–2 TeV 범위로 제약되며, 히그스 보손 질량은 3–7 GeV 범위로 제약된다.
• NLSP 수명은 1초 이하로, 빅뱅 핵합성과의 일치를 보장한다.
• 비열적으로 생성된 히그스 보손 어둠성 물질의 자유류동 스케일은 λ_FS ≈ 0.1 Mpc로 계산되며, 따뜻은 어둠성 물질이 하위은하 구조 문제를 해결하는 데 적합하다.
• 이 모형은 125 GeV 히그스 보손과 잔류 밀도를 포함한 모든 현상학적 제약 조건을 만족하는 일관된 스펙트럼을 제공한다.
• 두 물리적 조건(125 GeV 히그스 보손 및 Ω_~G h² = 0.112)에 의해 스펙트럼이 완전히 결정되며, tanβ와 Nm의 다양한 값에 대해 결과가 강건하다.