[论文解读] Implications of the 125 GeV Higgs boson for scalar dark matter and for the CMSSM phenomenology

M. Kadastik, Kristjan Kannike+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了125 GeV希格斯玻色子对标量暗物质及CMSSM的影响，表明在非超对称标量DM模型中，真空稳定性可延伸至大统一尺度。在CMSSM中，希格斯质量约束结合暗物质丰度与(g-2)μ，选择出一个狭窄区域——主要为选择性轻子共湮灭——预测了胶微子、顶超伴子与轻子超伴子之间的清晰质量关联，可能在LHC上被检验。

ABSTRACT

We study phenomenological implications of the ATLAS and CMS hint of a $125\pm 1$ GeV Higgs boson for the singlet, and singlet plus doublet non-supersymmetric dark matter models, and for the phenomenology of the CMSSM. We show that in scalar dark matter models the vacuum stability bound on Higgs boson mass is lower than in the standard model and the 125 GeV Higgs boson is consistent with the models being valid up the GUT or Planck scale. We perform a detailed study of the full CMSSM parameter space keeping the Higgs boson mass fixed to $125\pm 1$ GeV, and study in detail the freeze-out processes that imply the observed amount of dark matter. After imposing all phenomenological constraints except for the muon $(g-2)_μ,$ we show that the CMSSM parameter space is divided into well separated regions with distinctive but in general heavy sparticle mass spectra. Imposing the $(g-2)_μ$ constraint introduces severe tension between the high SUSY scale and the experimental measurements -- only the slepton co-annihilation region survives with potentially testable sparticle masses at the LHC. In the latter case the spin-independent DM-nucleon scattering cross section is predicted to be below detectable limit at the XENON100 but might be of measurable magnitude in the general case of light dark matter with large bino-higgsino mixing and unobservably large scalar masses.

研究动机与目标

• 评估125 GeV希格斯玻色子质量对非超对称标量暗物质模型中真空稳定性的影响。
• 研究125 GeV希格斯玻色子对CMSSM参数空间的唯象学约束，特别是暗物质丰度与LHC可实现性。
• 评估在CMSSM框架下，125 GeV希格斯玻色子与μ子反常磁矩(g-2)μ的相容性。
• 识别满足所有约束（包括希格斯质量、丰度与(g-2)μ）的CMSSM可行区域，并预测可观测的超粒子谱。

提出的方法

• 固定希格斯质量为125±1 GeV，扫描完整的CMSSM参数空间，以通过冻结机制识别暗物质丰度的可行区域。
• 应用直接探测、LHC搜索以及μ子(g-2)μ测量的约束，以缩小可行参数空间。
• 使用跑动方程评估标量单重态与单重态加双重态暗物质模型中的真空稳定性。
• 分析共湮灭过程——特别是顶超伴子与轻子超伴子的共湮灭——以确定超粒子质量关联。
• 进行详细的数值扫描，以计算CMSSM中丰度、直接探测截面与(g-2)μ的贡献。
• 绘制在幸存参数区域中胶微子、顶超伴子与轻子超伴子之间的质量关联，以识别LHC可观测的信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在125 GeV希格斯玻色子下，尽管希格斯质量低于SM稳定性阈值，标量暗物质模型是否仍能保持至大统一尺度的真空稳定性？
• RQ2 哪些CMSSM区域能够同时重现观测到的暗物质丰度与125 GeV希格斯玻色子质量？
• RQ3 μ子反常磁矩(g-2)μ约束如何影响具有125 GeV希格斯玻色子的CMSSM参数区域的可行性？
• RQ4 在CMSSM中仍可在LHC上检验的区域，胶微子、顶超伴子与轻子超伴子之间的质量关联预测为何？
• RQ5 在125 GeV希格斯玻色子与(g-2)μ约束下，自旋无关的暗物质-核子散射截面是否可能在CMSSM中可观测？

主要发现

• 在非SUSY标量暗物质模型中，125 GeV希格斯玻色子与至大统一尺度的真空稳定性相容，而SM中则要求M_H > 128 GeV。
• 在CMSSM中，125 GeV希格斯质量与正确丰度结合，仅在顶超伴子与轻子超伴子共湮灭通道下选择出具有重超粒子谱的特定区域。
• 在3σ水平施加(g-2)μ约束后，仅轻子超伴子共湮灭区域存活，表明对超粒子质量有明确预测。
• 幸存的轻子超伴子共湮灭区域预测了胶微子、顶超伴子与轻子超伴子质量之间的线性关联，使其可能在LHC上被观测。
• 在大双希格斯混合情况下，即使标量质量较重，自旋无关的暗物质-核子散射截面在XENON100中仍可能被探测到。
• 若暗物质较轻且存在双希格斯混合，CMSSM无法通过LHC检验，但此类模型仍可通过直接探测手段探测。