[논문 리뷰] The long-lived stau as a thermal relic

Josef Pradler|ArXiv.org|2009. 09. 18.

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies참고 문헌 209인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 중력보가 가장 가벼운 초대칭 입자(LSP)인 초대칭 모델에서 장수하는 스토(τ̃₁)의 열적 잔여 밀도를 조사한다. 이는 힉스 보손으로의 스토 쌍체 붕괴와 무거운 CP-대칭 힉스 보손(H⁰)을 통한 공명 s-채널 붕괴라는 두 가지 핵심 메커니즘을 규명한다. 이러한 메커니즘은 스토의 열적 잔여 밀도를 10⁻¹⁵ 이하로 낮춰, 촉매 작용을 통한 ⁶Li 및 ⁹Be 생성으로 인한 엄격한 초기 우주 핵합성(BBN) 제약 조건을 회피할 수 있다. 이는 고온 재가열 온도까지 10⁹ GeV에 이르는 높은 온도에서 우주론적으로 타당한 중력보 어두운 물질 시나리오를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We consider physics beyond the Standard Model in which a long-lived electromagnetically charged massive particle species (CHAMP) appears. We discuss the unique sensitivity the early Universe exhibits on the mere presence and on the decay of such a particle. A CHAMP can be realized in supersymmetric extensions of the Standard Model. We carry out a detailed study of gravitino dark matter scenarios in which the lighter stau is the lightest Standard Model superpartner and thus the CHAMP. Particularly stringent constraints on the gravitino-stau scenario arise from the thermal catalysis of primordial nucleosynthesis reactions. This motivates a thorough investigation of the thermal freeze-out process of the long-lived stau. There, we show that even the most stringent cosmological constraints can potentially be evaded.

연구 동기 및 목표

• 장수하는 스토(τ̃₁)의 열적 잔여 밀도가 촉매 작용을 통한 ⁶Li 및 ⁹Be 생성으로 인한 엄격한 초기 우주 핵합성(BBN) 제약 조건을 충족시킬 수 있는지 판단하는 것.
• 스토가 힉스 보손으로 붕괴되는 것과 공명 H⁰ 교환에 의한 열적 잔여 밀도 감소 메커니즘을 연구하는 것.
• 표준 우주론적 역사와 고온 재가열 온도 조건 하에서 장수하는 스토 NLSP를 가진 중력보 어두운 물질 시나리오의 타당성을 평가하는 것.
• 제안된 스토-힉스 결합 메커니즘을 실험적으로 검증할 수 있는 콜라이더 서명(예: ILC에서의 힉스 스트라레링 또는 LHC에서의 b̄bH⁰ 연쇄 생성)을 식별하는 것.
• 제약 조건이 있는 최소 초대칭 표준 모형(CMSSM)이 작은 스토 잔여 밀도와 우주론적으로 타당한 어두운 물질을 동시에 수용할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 스토의 열적 잔여 밀도가 혼합 각도 θτ̃ 및 힉스 섹터 매개변수에 따라 어떻게 의존하는지 체계적으로 분석하기 위해 MSSM의 효과적 저에너지 형태를 사용하였다.
• 초기 우주 플라즈마에서 스토의 화학적 탈착을 모델링하기 위해 전체 보른츠만 방정식 세트를 해결하였다.
• 힉스 보손 교환(h⁰h⁰, h⁰H⁰, H⁰H⁰)과 무거운 CP-대칭 힉스 보손 H⁰를 통한 s-채널 공명 붕괴를 통한 스토 붕괴 단면적을 계산하였다.
• 초기 우주 핵합성 기간 동안 음전하 스토(X⁻)에 의한 촉매 작용이 미치는 영향을 평가하기 위해, 전하를 띤 입자들의 쿠론 정지 및 결합 상태 형성 비율에 대한 정교한 처리를 통합하였다.
• 초기 핵합성 기간 동안 음전하 스토(X⁻)에 의한 촉매 작용으로 인해 ⁶Li 및 ⁹Be의 과잉 생성이 발생할 수 있는지를 평가하였다.
• 향후 콜라이더 측정을 통한 실험적 검증 가능성을 평가하였으며, 이는 ILC에서의 힉스 스트라레잉 및 LHC에서의 b̄bH⁰ 연쇄 생성 측정을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수하는 스토의 열적 잔여 밀도는 촉매 작용을 통한 ⁶Li 및 ⁹Be 생성으로 인한 BBN 제약 조건을 충족시키기 위해 충분히 낮추어질 수 있는가?
• RQ2 스토-힉스 결합 및 힉스 교환은 CMSSM에서 스토의 열적 잔여 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 무거운 CP-대칭 힉스 보손 H⁰를 통한 공명 스토 붕괴는 스토 잔여 밀도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 CMSSM는 작은 스토 잔여 밀도와 열적 렙토제네시스에 부합하는 고온 재가열 온도를 동시에 수용할 수 있는가?
• RQ5 어떤 콜라이더 서명이 스토-힉스 결합 메커니즘을 실험적으로 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 스토가 힉스 보손으로 붕괴되는 것(H⁰H⁰, h⁰H⁰, h⁰h⁰)을 통해 스토의 열적 잔여 밀도 Yτ̃₁dec는 10⁻¹⁵ 이하로 낮아질 수 있으며, 특히 tanβ가 크고 |μ| 또는 Aτ 매개변수가 큰 영역에서 두드러진다.
• 무거운 CP-대칭 힉스 보손 H⁰를 통한 s-채널 공명 붕괴—2mτ̃₁ ≈ mH⁰ 조건에서—역시 잔여 밀도를 10⁻¹⁵ 이하로 낮출 수 있으며, 중성미자 힉스 펌프 기법과 유사하다.
• 이러한 감소 메커니즘은 스토 혼합(θτ̃)과 힉스 섹터에 민감하며, 큰 tanβ와 큰 삼중 상호작용 계수에서 두드러진다.
• CMSSM에서는 두 감소 메커니즘이 (m₁/₂, m₀) 평면의 서로 다른 영역에서 동시에 Yτ̃₁dec ≈ 2×10⁻¹⁵를 만들어낼 수 있다.
• 작은 잔여 밀도는 고온 재가열 온도까지 10⁹ GeV에 이르는 조건에서 우주론적으로 타당한 중력보 어두운 물질 시나리오를 가능하게 하며, 열적 렙토제네시스와도 일치한다.
• 향후 콜라이더, 예를 들어 ILC와 LHC는 e⁺e⁻ 충돌에서의 힉스 스트라레잉 또는 b̄bH⁰ 연쇄 생성 측정을 통해 이 메커니즘을 탐색할 수 있다.