[论文解读] Is light neutralino as dark matter still viable?

Daniel T. Cumberbatch, Daniel E. López-Fogliani+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 12

一句话总结

本文在MSSM和NMSSM框架下重新评估了轻量中性子作为暗物质候选者的可行性，通过嵌套采样和硬截断方法依次施加2σ实验约束——包括遗迹密度、对撞机限制（LEP、Tevatron）以及味物理（含$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$）——发现，在7–9 GeV质量范围内，不存在任何满足所有约束条件且自旋无关散射截面高于$10^{-5}$ pb的可行参数点，表明在严格模型一致性下，轻量中性子无法与CoGENT和DAMA数据相容。

ABSTRACT

Motivated by the recent re-confirmation by CoGENT of the low-energy excess of events observed last year, and the recent improved limits from the XENON-100 experiment that are in contention with the CoGENT data, we re-examine the low mass neutralino region of the Minimal Supersymmetric Standard Model and of the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model, both without assuming gaugino mass unification. We make several focused scans for each model, determining conservative constraints on input parameters. We then determine how these constraints are made increasingly stringent as we re-invoke our experimental constraints involving the dark matter relic abundance, collider constraints from LEP and the Tevatron, and then from flavour physics, as a series of successive 2 sigma hard cuts. We find that for both models, when all relevant constraints are applied in this fashion, we do not generate neutralino LSPs that possess a spin-independent scattering cross section in excess of 10^-5 pb and a mass ~7 GeV < m_chi < ~9 GeV that is necessary in order to explain the CoGENT observations.

研究动机与目标

• 评估7–9 GeV质量范围内的轻量中性子在MSSM和NMSSM中作为暗物质候选者的可行性，动机来自CoGENT的低能过剩和DAMA的年调制效应。
• 检验此类轻量中性子是否能与XENON-100直接探测数据相容，后者已排除了CoGENT所青睐的区域。
• 系统性地应用日益严格的实验约束——包括遗迹丰度、对撞机限制（LEP、Tevatron）以及味物理（包括$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$）——作为2σ硬截断。
• 确定MSSM和NMSSM中的精细调参区域是否能产生足够大的自旋无关散射截面，以解释CoGENT观测结果，同时满足所有约束。
• 评估NMSSM中扩展的希格斯场结构在实现更轻的LSP并维持暗物质可行性方面的作用，同时不违反实验限制。

提出的方法

• 在SuperBayeS和NMSPEC软件包中使用Multinest算法，对MSSM和NMSSM的低中性子质量区域进行聚焦的嵌套采样（NS）扫描。
• 在似然函数中施加实验约束，包括与WMAP一致的遗迹密度、LEP和Tevatron对带电粒子/中性子的限制，以及$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$的限制。
• 按顺序施加一系列2σ硬截断：(1) 遗迹密度，(2) 对撞机约束（LEP、Tevatron），(3) 味物理和$(g-2)_\mu$约束。
• 放松规范玻色子质量统一性，以允许更轻的LSP，尤其在NMSSM中，并探索纯双线态型和双线态-单态混合型LSP。
• 使用最小味破坏（MFV）来约束$χ Hp$耦合，尤其对$\tan\beta$和$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$敏感。
• 评估自旋无关（SI）散射截面$\sigma^\text{SI}_p$，并与XENON-100直接探测限制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MSSM和NMSSM中，质量为$m_\chi \in [7,9]$ GeV的轻量中性子能否以$\sigma^\text{SI}_p \sim 10^{-41} - 10^{-40}$ cm²的截面解释CoGENT的低能过剩和DAMA的年调制效应？
• RQ2 在依次施加2σ硬截断（包括遗迹密度、对撞机限制和味物理）后，MSSM和NMSSM中的可行参数空间受到何种程度的约束？
• RQ3 NMSSM中扩展的希格斯场结构在实现更轻的LSP同时规避LEP和味物理约束方面起到何种作用？
• RQ4 来自$BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$和$(g-2)_\mu$的约束在多大程度上限制了$\chi Hp$耦合，从而抑制$\sigma^\text{SI}_p$？
• RQ5 在施加所有约束（包括XENON-100限制）后，7–9 GeV范围内$\sigma^\text{SI}_p > 10^{-5}$ pb的参数点是否仍具有可行性？

主要发现

• 在MSSM和NMSSM中，均无任何可行参数点能同时满足所有约束条件且自旋无关散射截面高于$10^{-5}$ pb（在7–9 GeV质量范围内）。
• $BR(\overline{B}_s \to \mu^+\mu^-)$限制，尤其是在最小味破坏框架下，强烈抑制了大$\tan\beta$时的$\chi Hp$耦合，导致$\sigma^\text{SI}_p$在许多情况下被限制在$\lesssim 10^{-6}$ pb以内。
• 即使在NMSSM中存在$\sigma^\text{SI}_p \sim 2 \times 10^{-5}$ pb的参数点，当所有截断条件应用后，仍被味物理约束或XENON-100限制所排除。
• 在NMSSM中，轻量LSP（$m_\chi \lesssim 15$ GeV）可通过$s$-通道$h_1$共振湮灭实现正确的遗迹密度，但要求最轻的希格斯粒子具有单态特性，并对$A_\lambda$或$A_\kappa$进行精细调参。
• 对于$m_\chi \gtrsim 15$ GeV的情况，可通过$t$-通道selectron交换或赝标量希格斯粒子湮灭实现正确的遗迹密度，但这些参数点被XENON-100或味物理约束所排除。
• XENON-100未观测到信号与严格的味物理约束相结合，使得在MSSM和NMSSM中，轻量中性子作为暗物质候选者与CoGENT和DAMA数据在模型一致的参数扫描下不再相容。