[论文解读] Effect of SUSY-QCD corrections to neutralino annihilation on the cold dark matter relic density in the Higgs funnel

Björn Herrmann|ArXiv.org|Sep 14, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文在mSUGRA模型的A-自发放区域，完整计算了中性子对湮灭至底夸克对的QCD及SUSY-QCD修正，过程通过伪标量希格斯玻色子进行。结果表明，这些修正——尤其是SUSY-QCD贡献——可使湮灭截面最大降低40%，显著改变预测的冷暗物质遗迹密度，并使m₀–m₁/₂平面上 favored 参数区域的质量尺度发生高达两倍的偏移，因此在宇宙学分析中必须包含这些修正。

ABSTRACT

We present a complete calculation of the QCD and SUSY-QCD corrections to neutralino pair annihilation into bottom quark-antiquark pairs through exchange of a pseudoscalar Higgs boson, which is the dominant process in the cosmological A-funnel region of the mSUGRA model. We present numerical predictions for the annihilation cross section and discuss the influence of the correction terms on the cold dark matter relic density with respect to recent cosmological data.

研究动机与目标

• 计算mSUGRA模型A-自发放区域中，通过伪标量希格斯玻色子实现中性子对湮灭至b̄b的全部QCD与SUSY-QCD修正。
• 根据近期宇宙学数据，评估这些修正对预测的冷暗物质遗迹密度Ω_CDMh²的影响。
• 评估这些修正是否显著改变mSUGRA模型中中性子暗物质的 favored 参数空间。
• 将全部修正整合至DarkSUSY代码中，以与仅包含低阶QCD修正的现有工具（如micrOMEGAs）进行比较。

提出的方法

• 计算涵盖过程χχ → A⁰ → b̄b的全部一阶（LO）与下一阶（NLO）QCD及SUSY-QCD修正。
• 通过正确处理Majorana初态的反对称化，包含两种费米子取向的√2因子。
• 利用质心系能量s ≈ 4m_χ²(1 + v²/4) 的非相对论展开，推导有效截面σ_effv。
• 希格斯传播子包含宽度效应，底夸克质量以运行质量m_b(s)替代，以考虑QCD修正。
• 在O(α_s)与O(α_s³)阶计算完整SUSY-QCD修正，包含涉及带电粒子与中性子的自能、顶点与盒图。
• 将结果整合至DarkSUSY软件包，用于计算遗迹密度Ω_CDMh²，并与观测约束进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 QCD与SUSY-QCD修正如何影响mSUGRA模型中Higgs自发放区域的中性子湮灭截面？
• RQ2 与一阶计算相比，这些修正在多大程度上改变了预测的冷暗物质遗迹密度Ω_CDMh²？
• RQ3 这些修正如何依赖μ与tanβ的符号，特别是在A-自发放区域？
• RQ4 包含高阶QCD与SUSY-QCD修正后，对中性子暗物质在m₀–m₁/₂参数空间中的 favored 区域有何影响？
• RQ5 不同谱生成器（SPheno/FeyHiggs 与 ISAJET）在共振条件2m_χ = m_A 及其导致的遗迹密度方面有何差异？

主要发现

• QCD修正使湮灭截面降低约两倍，主要归因于运行底夸克质量m_b(s)的影响。
• 顶夸克圈修正可忽略不计，在tanβ > 40时对修正因子的贡献小于10⁻⁵。
• SUSY-QCD修正使截面最大降低40%（μ < 0时）与10%（μ > 0时），差异源于质量重正化中μ符号的影响。
• 完整修正使m₀–m₁/₂参数空间的 favored 区域发生高达两倍的质量偏移，高tanβ区域向更低质量移动，以补偿湮灭率的降低。
• 由于希格斯宽度与湮灭振幅同时修正，Ω_CDMh²的最小值向共振条件2m_χ = m_A 偏移。
• 谱生成器（SPheno/FeyHiggs 与 ISAJET）之间的差异导致共振条件发生偏移，但SUSY-QCD修正效应在各类模型中均保持稳健且显著。