[論文レビュー] Gravitino Dark Matter with Stop as the NLSP

Yudi Santoso|ArXiv.org|Sep 25, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ストップクォークが次に軽いスーパースymmétrィック粒子（NLSP）であるスーパーシンメトリー理論におけるニュートリノ的ダークマターの可能性を調査しており、プランクスケールで抑制された相互作用を通じた崩壊が抑制されることで、長寿命なストップハドロンが生じる可能性を提案している。ストップNLSPは2体または3体崩壊モードにより重力レプトンとトップクォークに崩壊し、寿命は最大で10^15秒に達する。これにより、加速器実験および宇宙論的シグネチャーが得られ、ビッグバン核合成（BBN）制約を満たすことが可能である。

ABSTRACT

Gravitino is one feasible candidate for the dark matter in supergravity models. With its couplings being suppressed by the Plank mass, gravitino interacts very weakly with other particles, making its direct detection, or production at colliders practically impossible. The signatures of this scenario mainly arise from the next lightest supersymmetric particle (NLSP) which is metastable due to the very weak coupling. There are many possibilities for the NLSP, and here I will review the feasibility of stop particle as the NLSP and discuss its phenomenology.

研究の動機と目的

• 重力レプトンがLSPである超重力理論におけるストップクォークがNLSPとして成立する可能性を検討すること。
• 不安定なストップハドロンの素粒子的性質、特にその崩壊モードと宇宙論的意味を分析すること。
• ストップNLSPのシナリオがビッグバン核合成（BBN）制約および加速器限界と整合するかを評価すること。
• 特にNUHMおよび非一様ゲージノーマスモデルを含む、ストップがニュートラリノより軽くなるが、質量およびヒッグス質量の制約を満たす可能性のある、妥当な超対称理論モデルを同定すること。

提案手法

• トリリニアA項およびμおよびtanβによるヒッグスノーマス混合を含む、左-右基底におけるストップ質量行列を導出する。
• プランクスケールで抑制された相空間積分を用いて、ストップNLSPが重力レプトンおよびトップクォークに2体崩壊する幅を計算する。
• 運動量空間近似を用いて、ストップNLSPが重力レプトン、Wボソン、およびボトムクォークに3体崩壊する幅を評価し、運動的閾値補正を加える。
• 質量ギャップおよび重力レプトン質量の関数としてストップNLSPの寿命を推定し、小さな質量ギャップでは最大で10^15秒の寿命が得られることを示す。
• 不安定なストップ粒子がストップメソンおよびストップバリオンにハドロン化する過程をモデル化し、電荷交換およびバリオン交換をニュクレオンと含める。
• NUHMパラメータ空間における数値スキャンを実施し、ヒッグス質量およびストップ質量の制約を満たす中でストップがNLSPとなる領域を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力レプトンがLSPである状況下で、ストップクォークが妥当なダークマターのシナリオにおいてNLSPとして成立可能か？
• RQ2 ストップNLSPの主要な崩壊モードは何か？ また、その寿命は重力レプトンとの質量ギャップにどのように依存するか？
• RQ3 不安定なストップハドロンはビッグバン核合成にどのような影響を及ぼし、どのような制約を引き起こすか？
• RQ4 CMSSMモデルではストップNLSPのシナリオは成立可能か？ もし非成立であれば、どの代替SUSYモデルで実現可能か？
• RQ5 長寿命なストップハドロンの検出可能な加速器的シグネチャーは何か？ また、既存のデータからどのような質量限界を設定できるか？

主な発見

• 質量ギャップがW+ボトムの閾値未満の場合、ストップNLSPの寿命は最大で10^15秒に達し、検出可能なハドロン的シグネチャーが得られる。
• 質量ギャップがm_W + m_b未満の場合、3体崩壊モードが支配的となり、小さな質量ギャップでは寿命が約10^15秒にまで延びる。
• より大きな質量ギャップでは2体崩壊モードが支配的となり、重力レプトン質量に依存して最大で約10^9秒の寿命が得られる。
• CMSSMでは、ヒッグス質量下限、ストップ質量限界、およびNLSP条件の間で矛盾が生じるため、ストップNLSPシナリオは除外される。
• ストップ質量が220 GeVを超える領域ではNUHMモデルに小さな妥当な領域が存在するが、250 GeVの限界に引き上げられるとほぼ除外される。
• 光るグルーギノまたは重いビノを有する非一様ゲージノーマスモデルでは、ストップがNLSPとして安定化され、すべての素粒子的制約を満たすことが可能である。