[论文解读] Dark Matter in a Constrained NMSSM

C. Hugonie, G. Bélanger+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 21

一句话总结

本文研究了在GUT尺度边界条件下约束型 next-to-minimal supersymmetric standard model (CNMSSM) 中的暗物质，重点探讨其与WMAP数据的宇宙残留密度一致性。研究识别出轻希格斯ino——特别是具有较大singlino成分的——通过与 stau 或 bino/higgsino NLSP 的共湮灭，或在低 tan⁡β 下通过希格斯共振湮灭，可实现正确的残留密度，从而将可行参数空间扩展至CMSSM框架之外。

ABSTRACT

We explore the parameter space of a Constrained Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model with GUT scale boundary conditions (CNMSSM) and find regions where the relic density of the lightest neutralino is compatible with the WMAP measurement. We emphasize differences with the MSSM: cases where annihilation of the LSP occurs via a Higgs resonance at low values of tanβand cases where the LSP has a large singlino component. The particle spectrum as well as theoretical and collider constraints are calculated with NMSSMTools. All neutralino annihilation and coannihilation processes are then computed with micrOMEGAs, taking into account higher order corrections to the Higgs sector.

研究动机与目标

• 研究在GUT尺度边界条件下约束型 next-to-minimal supersymmetric standard model (CNMSSM) 中可行的暗物质参数空间。
• 识别出轻希格斯ino残留密度与WMAP测量一致的区域，特别关注非bino LSP。
• 研究singlino成分和希格斯共振湮灭对CNMSSM中暗物质残留密度的影响。
• 评估涉及 stau、bino 或混合 bino-higgsino NLSP 的共湮灭过程对singlino LSP情景下残留密度的影响。
• 将CNMSSM预测与CMSSM进行比较，突出由于扩展的希格斯和中性子系统所开启的新现象学区域。

提出的方法

• 使用NMSSMTools计算超对称粒子谱，包括希格斯系统中的高阶修正以及理论和对撞机约束。
• 使用micrOMEGAs计算残留密度，涵盖所有中性子湮灭和共湮灭过程。
• 从GUT尺度应用跑动的规范群方程（RGEs）以确定超对称粒子质量和希格斯系统性质。
• 在GUT尺度施加半通用的软性破缺参数，其中A₀、Aκ、λ、tan⁡β 和 M₁/₂ 取特定值。
• 在固定λ、tan⁡β、A₀ 和 Aκ 的前提下，分析m₀–M₁/₂平面中的参数空间，重点关注具有singlino LSP或希格斯共振湮灭的区域。
• 考虑sign(μ) > 0 和 sign(μ) < 0 两种情形，尽管分析假设前者，结果无显著差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CNMSSM中，以singlino主导的轻希格斯ino能否实现与WMAP测量一致的残留密度？
• RQ2 与 stau、bino 或混合 bino-higgsino NLSP 的共湮灭过程在实现singlino LSP的正确残留密度中起什么作用？
• RQ3 在CNMSSM参数空间中，哪些区域可通过重H/A标量/伪标量共振湮灭实现低 tan⁡β 下可行的暗物质残留密度？
• RQ4 在NMSSM中引入单态场相较于CMSSM如何改变可行的暗物质参数空间？
• RQ5 理论和对撞机物理对CNMSSM参数空间有何约束，特别是针对低λ和大m₀的情况？

主要发现

• 当λ ≲ 0.01时，只有通过在低m₀下与stau NLSP共湮灭，或在高m₀（m₀ ≳ 5 TeV）下与bino/higgsino NLSP共湮灭，singlino LSP才能实现与WMAP兼容的残留密度。
• 在低m₀下，当质量差≤3 GeV时，singlino LSP与stau NLSP共湮灭，确保残留密度低于WMAP的上限。
• 当M₁/₂ ≈ 600 GeV 且 400 GeV ≤ m₀ ≤ 1000 GeV 时，singlino LSP与快速通过重H/A标量/伪标量共振湮灭的bino NLSP共湮灭。
• 在高m₀下，singlino LSP与混合bino-higgsino NLSP共湮灭，后者自身通过H/A共振或W-对道高效湮灭。
• WMAP兼容的singlino LSP区域未延伸至理论排除区域，因为在极高m₀下LSP会转变为higgsino样态。
• 当λ ≳ 0.1时，任何tan⁡β下都可能存在额外的伪标量singlino共振，但除非tan⁡β较大，否则由于费米子耦合抑制，该共振可能不可见。