[论文解读] Dark matter, fine-tuning and $(g-2)_μ$ in the pMSSM

Melissa van Beekveld, W. Beenakker+2 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 8

一句话总结

本文識別了在 phenomenological MSSM 中滿足觀測到的暗物質豐度、μ子反常磁矩差異 $(g-2)_\mu$，以及 LHC 和直接檢測約束的最小微調超對稱譜。結果顯示，自旋依賴的暗物質-核子散射實驗（如 PICO-500）將能探測所有可行解，特別是那些具有低電弱微調和小希格斯ino成分的 bino-類 LSP 解。

ABSTRACT

In this paper we analyze spectra in the phenomenological supersymmetric Standard Model that simultaneously result in the right dark-matter relic density $Ω_{ m DM} h^2$, offer an explanation for the $(g-2)_μ$ discrepancy $Δa_μ$ and are minimally fine-tuned. We discuss the LHC phenomenology resulting from these spectra and the sensitivity of dark-matter direct detection experiments to these spectra. We find that the latter type of experiments with sensitivity to the spin-dependent dark-matter-nucleon scattering cross section $σ_{ m SD,p}$ will probe all of our found solutions.

研究动机与目标

• 識別 pMSSM 中同時滿足觀測到的暗物質豐度 $\Omega_{\rm DM}h^{2}$、$(g-2)_\mu$ 差異以及 LHC 約束的超對稱譜。
• 將模型參數空間約束至具有最小電弱微調 ($\Delta_{\rm EW}$) 的譜。
• 評估可行譜的 LHC 現象學與直接檢測敏感度，特別是自旋依賴散射。

提出的方法

• 分析使用具有 19 個自由參數的規範性 MSSM (pMSSM)，假設第一與第二代超費米子質量簡併，且輕量級的三線性耦合為零。
• 利用 chargino 和 neutralino 的一階量子修正（包括 Higgs 和 Higgsino 交換）計算 muon 反常磁矩 $a_\mu$。
• 透過 micrOMEGAs 計算宇宙學豐度 $\Omega_{\rm DM}h^{2}$，包含共湮滅與 s 模式共振。
• 以 $\Delta_{\rm EW}$ 衡量電弱微調，定義為 Higgs 質量對軟性破缺參數的相對敏感度最大值。
• 使用現有對 chargino 和 neutralino 的搜尋結果（特別是 $\widetilde{\chi}^{0}_{2}\widetilde{\chi}^{\pm}_{1}$ 最終態）施加 LHC 約束。
• 計算直接檢測截面 $\sigma_{\rm SD,p}$ 和 $\sigma_{\rm SI,p}$，並與 PICO-40L 和 PICO-500 的預期敏感度比較。

Figure 1 : The mass of the DM particle ( $m_{\widetilde{\chi}^{0}_{1}}$ ) vs the velocity-weighted annihilation cross section ( $\langle\sigma v\rangle$ ). The value of $\Delta_{\rm EW}$ is shown as a color code on the left, where the points are ordered such that spectra with lower values of $\Delta

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些 pMSSM 譜能同時解釋正確的暗物質豐度、$(g-2)_\mu$ 異常，並在最小微調下滿足 LHC 約束？
• RQ2 輕量級超對稱粒子 (LSP) 的組成如何影響自旋依賴的暗物質-質子散射截面 $\sigma_{\rm SD,p}$？
• RQ3 未來的直接檢測實驗（如 PICO-500）對參數空間中識別出的可行解敏感程度如何？
• RQ4 共湮滅機制與共振區域如何影響模型中的豐度與微調？
• RQ5 LSP 中的希格斯ino 成分在介導 $(g-2)_\mu$ 修正與微調中扮演何種角色？

主要发现

• 所有可行譜中的 LSP 主要是 bino-類，具有微小的希格斯ino 成分，導致 $\sigma_{\rm SD,p}$ 與電弱微調 $\Delta_{\rm EW}$ 之間有強烈相關性。
• 所有解中最小的電弱微調 $\Delta_{\rm EW}$ 約為 14.2，其值可高達 100。
• 自旋依賴的直接檢測實驗（如 PICO-500）將能探測所有 $\Delta_{\rm EW} < 62$ 的解，而 LUX-ZEPLIN 將排除所有 $\Delta_{\rm EW} < 100$ 的解。
• LHC 探測對具有輕量級 $\widetilde{\chi}^{0}_{2}/\widetilde{\chi}^{\pm}_{1}$ 態與顯著 Wino 成分的譜最為敏感，但在一般 bino-Higgsino 區域的探測能力有限。
• 與輕量級 stau 的共湮滅對 LHC 探測尤其具挑戰性，暗示需要專門針對 $\widetilde{\tau}^{\pm}$ 的搜尋，且不假設質量簡併。
• 要求解釋 $\Delta a_\mu$ 排除了 LSP 中具有約 600 GeV 希格斯ino 成分的可能，從而約束了 $\sigma_{\rm SD,p}$–$\Delta_{\rm EW}$ 相關性。

Figure 2 : The mass difference between the DM particle and the lightest chargino (left), lightest smuon (middle) and lightest stau (right) versus the mass of the heavier particle. The color code represents the dominant early-universe annihilation channel.