[论文解读] Dark Matter Generation and Split Supersymmetry

Jared Kaplan|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2006

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 38被引用 7

一句话总结

本文提出了一种分裂超对称模型，其中暗物质主要通过模场粒子非热衰变链衰变为最轻超对称粒子（LSP）或引力ino，而非微扰冻结析出。该机制使得超对称粒子谱更轻、可在LHC中探测到（尤其是喷射胶子子的位移衰变），同时避免了宇宙闭合问题并减弱了轴子约束。

ABSTRACT

We analyze a simple Split Supersymmetry scenario where fermion masses come from anomaly mediation, yielding m_s ~ 1000 TeV, m_{3/2} ~ 100 TeV, and m_f ~ 1 TeV. We consider non-thermal dark matter production in the presence of moduli, and we find that the decay chains of moduli to LSPs and moduli to gravitinos to LSPs generate dark matter more efficiently than perturbative freeze-out, allowing for a light, LHC visible spectrum. These decaying moduli can also weaken cosmological constraints on the axion decay constant. With squark masses of order 1000 TeV, LHC gluinos will decay millimeters from their primary vertices, resulting in a striking experimental signature, and the suppression of Flavor Changing Neutral Currents is almost sufficient to allow arbitrary mixing in squark mass matrices.

研究动机与目标

• 探索具有规范异常介导超对称性破缺的最小分裂超对称模型中的非热暗物质产生机制。
• 确定模场衰变链是否比微扰冻结析出更高效地产生正确的遗迹密度。
• 评估尽管标量超对称伙伴较重，轻量且LHC可探测的超对称粒子谱的可行性。
• 研究在晚期衰变模场存在下，轴子衰变常数的宇宙学约束。
• 识别该宇宙学一致框架中的实验信号，特别是由胶子子位移衰变产生的特征。

提出的方法

• 分析一个具有规范异常介导产生规费质量的分裂超对称模型，得到 m_{3/2} ~ 100 TeV 且 m_s ~ 1000 TeV。
• 考虑通过两种衰变链实现的非热暗物质产生：模场 → LSP，以及模场 → 引力ino → LSP。
• 在不同模场质量区域（m_φ < 2m_{3/2} 与 m_φ > 2m_{3/2}）下评估这些衰变链的效率。
• 通过场重新定义引入一个非线性实现的金斯托因 χ，实现规范归一化并识别金斯托因相互作用。
• 利用有效场论推导金斯托因耦合，表明金斯托因为具有平移对称性且无直接Yukawa耦合。
• 考虑对称性、多重模场及D项破缺等机制，以抑制衰变链中引力ino的过度产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 在分裂超对称模型中，模场粒子的非热衰变链是否能比微扰冻结析出更高效地产生观测到的暗物质遗迹密度？
• RQ2 在 m_s ~ 1000 TeV 且 m_{3/2} ~ 100 TeV 的模型中，通过模场衰变产生的轻量LSP具有怎样的宇宙学与对撞机现象学意义？
• RQ3 在此框架下，晚期衰变模场如何影响轴子衰变常数的约束？
• RQ4 由于重标量夸克的存在，胶子子位移衰变的LHC特征信号是什么？
• RQ5 能否避免引力ino的过度产生，同时仍通过模场衰变实现高效的暗物质产生？

主要发现

• 通过模场 → LSP 和模场 → 引力ino → LSP 的非热暗物质产生机制，主导于微扰冻结析出，从而允许更轻、可在LHC中探测的超对称粒子谱。
• 当 m_φ ≲ m_{3/2} 时，模场 → LSP 衰变链自然产生正确的遗迹密度，且不导致宇宙闭合。
• 由于 1000 TeV 的标量夸克，LHC中可预期胶子子的位移衰变，产生毫米量级的衰变顶点。
• 味改变中性流的抑制已足够充分，即使在标量较重的情况下，也能允许任意的标量夸克混合。
• 晚期衰变模场可通过注入熵弱化轴子衰变常数的宇宙学约束。
• 代表引力ino的金斯托因 χ 具有平移对称性，仅通过导数相互作用耦合，无直接Yukawa耦合。