[논문 리뷰] SUSY Dark Matter: Closing The Parameter Space

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta|ArXiv.org|2002. 10. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 mSUGRA 및 비일관성 SUGRA 모델에서 레이저 및 천체물리적 데이터로부터 초과대칭(SUSY) 어두운 물질에 대한 제약 조건을 분석한다. 현재의 힉스 보존 질량, b→sγ 붕괴, 잔여 어두운 물질 밀도, 그리고 뮤온 g−2 이질성의 종합적 제약 조건이 매개변수 공간의 대부분을 배제하며, 이는 글루아인 질량 최소 약 300–350 GeV 및 중성미온 질량 >120 GeV를 요구한다. 비일관성 소프트 브레이킹 항항은 어두운 물질 탐지 횡단단면적을 증가시켜 일부 영역을 재개할 수 있다.

ABSTRACT

We consider here the constraints in SUGRA models on the SUSY parameter space due to current experimental bounds on the light Higgs mass m_h, the b-> s gamma decay, the amount of neutralino cold dark matter Omega h^2, and the muon magnetic moment. Models with universal soft breaking (mSUGRA) and non-universal gaugino or Higgs masses at M_G are examined. For mSUGRA, the m_h, b->s gamma and Omega h^2 constraints imply a lower bound on the gaugino mass of m_{1/2}>~300GeV implying the gluino and squarks have mass >~700GeV, and the neutralino >~120GeV. The current status of the Brookhaven muon g - 2 experiment is reviewed, and if the Standard Model (SM) contribution evaluated using the e^+ + e^- data is correct, a 2 sigma bound on the deviation of experiment from the SM produces an upper bound on m_{1/2} that eliminates the "focus point" regions of parameter space. Dark matter (DM) detection cross sections range from 5 imes10^{-8} pb to 5 imes10^{-10} pb which would be accessible to future planned detectors. The SUSY decay B_s->μ^+ +μ^- is seen to be accessible to the Tevatron Run 2B with 15 fb^{-1} luminosity for tanbeta >~30. The most favorable signals of SUSY for linear colliders are stau pair production and neutralino pair production, though it will require an 800GeV machine to cover the full parameter space. Non-universal models can modify some of the above results. Thus a non-universal (heavier) gluino mass at M_G can significantly reduce the lower bound constraints of b o s gamma and m_h giving rise to a lighter SUSY spectrum. A heavier up Higgs mass can open an additional region with allowed relic density arising from annihilation via the s-channel Z diagram with an O(10) larger DM detector cross section.

연구 동기 및 목표

• 현재 실험 데이터를 이용해 mSUGRA 및 비일관성 SUGRA 모델의 SUSY 매개변수 공간을 제약 조건화하기.
• 히iggs 질량, b→sγ 붕괴, 잔여 어두운 물질 밀도 및 뮤온 자석모멘트 이질성이 SUSY 매개변수 한계에 미치는 영향 평가하기.
• 직접 탐지 및 가속기 신호를 통한 중성미온 어두운 물질 탐지 가능성 평가하기.
• 비일관성 소프트 브레이킹 항항이 mSUGRA의 제약 조건을 어떻게 수정하는지 탐색하기.
• 향후의 가속기 및 어두운 물질 탐지 실험들이 남아있는 매개변수 공간을 탐색하는 데 가능성이 있는지 결정하기.

제안 방법

• SUSY 현상학을 모델링하기 위해 네 개의 매개변수(m₀, m₁/₂, A₀, tanβ)와 한 개의 부호를 포함한 mSUGRA를 사용한다.
• LEP 힉스 제약 조건(mₕ > 111 GeV), b→sγ 분해비율(1.8–4.5×10⁻⁴), 그리고 CMB에서 유도된 Ω_CDMh²(0.07–0.21)를 적용한다.
• 브룩헤이븐 E821 실험의 뮤온 g−2 결과(2σ 이격: Δa_μ = 33.9×10⁻¹⁰)를 활용해 SUSY 기여를 제약 조건화한다.
• 열적 동결 제거를 통한 중성미온 잔여 밀도 평가에 스타우 공붕괴 및 Z 보손 s-채널 붕괴 채널을 포함한다.
• 효과 이론 및 파인먼 다이어그램을 이용해 직접 탐지 횡단단면적 σ_χ¹⁰−p를 분석한다.
• GUT 스케일에서의 비일관성 게이지인 및 힉스 질량을 고려해 mSUGRA 제약 조건의 탄력성 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 mₕ, b→sγ, Ω_CDMh² 및 a_μ가 mSUGRA 매개변수 공간에 미치는 종합적 제약 조건은 무엇인가?
• RQ2 현재의 뮤온 자석모멘트 이질성에 대한 제약 조건이 mSUGRA의 '포커스 포인트' 영역의 타당성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비일관성 소프트 브레이킹 질량이 m₁/₂의 하한 및 어두운 물질 탐지 횡단단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 m₀–m₁/₂ 평면의 어느 영역에서 잔여 밀도가 관측 결과와 일치하며, 그에 따른 탐지 빈도는 무엇인가?
• RQ5 테바트론 또는 NLC는 제약 조건이 있는 매개변수 공간에서 B_s→μ⁺μ⁻ 또는 스타우/중성미온 쌍 생성과 같은 주요 SUSY 신호를 관측할 수 있는가?

주요 결과

• mSUGRA 매개변수 공간은 강력하게 제약 조건이 가해지며, mₕ > 111 GeV, b→sγ 및 Ω_CDMh² 제약 조건을 충족하기 위해 m₁/₂ > 300 GeV가 필요하다.
• 중성미온 질량은 m_χ̃¹⁰ > 120 GeV, 글루아인 질량은 m_~g > 750 GeV, 카이진 질량은 m_~χ±¹ > 240 GeV로 제약 조건이 가해진다.
• e⁺e⁻ 기반의 양자전자기상태에서의 강입자 진공 분극 평가가 올바르다면, a_μ의 2σ 제약 조건은 큰 m₀에서의 '포커스 포인트' 영역을 배제한다.
• 어두운 물질 직접 탐지 횡단단면적은 5×10⁻⁸ pb에서 5×10⁻¹⁰ pb 사이이며, 향후 세대의 탐지기에서 접근 가능하다.
• B_s→μ⁺μ⁻ 붕괴는 tanβ > 30인 경우 테바트론 런 2B에서 15 fb⁻¹의 데이터로 접근 가능하다.
• 비일관성 힉스 질량은 Z-s채널 붕괴 확률을 증가시켜 고 m₀ 및 저 m₁/₂ 영역에서 새로운 어두운 물질 영역을 열 수 있으며, 이 영역의 탐지 횡단단면적은 스타우 공붕괴 영역보다 최대 10배까지 증가할 수 있다.