[论文解读] Is the light neutralino thermal dark matter in the pMSSM ruled out?

Rahool Kumar Barman, G. Bélanger+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本研究探讨了在现象学MSSM（pMSSM）框架下，轻量中性ino作为热生成暗物质的可行性，重点关注希格斯玻色子可通过 h → χ̃⁰₁χ̃⁰₁ 衰变为隐形的场景。通过结合LHC与LZ实验的约束，对pMSSM参数进行全面扫描，作者发现当 µ > 0 时，Z-共振区被排除，而 h-共振区在 µ > 0 时仍可行，尤其在 µ < 0 时，轻量希格斯ino仍可能被允许，并可通过未来数据检验。

ABSTRACT

We explore the parameter space of the phenomenological Minimal Supersymmetric Standard Model (pMSSM) with a light neutralino thermal dark matter ($m_{ ilde{\chi}_1^0} \leq m_h/2$) that is consistent with current collider and astrophysical constraints. We consider both positive and negative values of the higgsino mass parameter ($\mu$). Our investigation shows that the recent experimental results from the LHC as well as from direct detection searches for dark matter by the LUX-ZEPLIN (LZ) collaboration rule out the $Z$-funnel region for the $\mu>0$ scenario. The same results severely restrict the $h$-funnel region for positive $\mu$, however, the allowed points can be probed easily with few more days of data from the LZ experiment. In the $\mu<0$ scenario, we find that very light higgsinos in both the $Z$ and $h$ funnels might survive the present constraints from the electroweakino searches at the LHC, and dedicated efforts from experimental collaborations are necessary to make conclusive statements about their present status.

研究动机与目标

• 评估轻量中性ino（mχ̃⁰₁ ≤ mh/2）作为pMSSM框架下热生成暗物质的可行性。
• 评估近期LHC与直接探测（LZ）约束对 µ > 0 和 µ < 0 情况下Z-与h-共振区的影响。
• 识别当前实验限制下仍一致且未来可探测的轻量希格斯ino型中性ino参数区域。
• 以直接探测截面为基准，评估未来LZ与LHC数据对可行点的探测能力。

提出的方法

• 在电弱能标下对pMSSM的十个参数（包括M1、M2、µ、tanβ、MA、第三代标量夸克质量、At和M3）进行2×10⁸个点的随机扫描。
• 动态调节M1，使mχ̃⁰₁精确位于mZ/2 ± 5 GeV与mh/2 ± 3 GeV范围内，以填充Z-与h-共振区。
• 使用FeynHiggs 2.18.1计算希格斯质量、耦合常数与隐形分支比，理论不确定性保守设定为3 GeV。
• 应用SModelS识别每个基准点最敏感的LHC与直接探测分析。
• 基于XGBoost的多变量分析，评估h → ZZ* → 3l + E/T通道中3l + E/T末态的信号灵敏度。
• 预测ILC与CEPC未来对隐形希格斯衰变的探测能力，重点关注µ < 0情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 当 µ > 0 时，轻量中性ino热暗物质的Z-共振区是否能经受住当前LHC与LZ实验的约束？
• RQ2 当 µ > 0 时，轻量中性ino暗物质在pMSSM中的h-共振区是否可行？其与当前LZ直接探测极限的距离如何？
• RQ3 在 µ < 0 情景下，轻量希格斯ino型中性ino的状态如何，特别是在Z-与h-共振区？
• RQ4 未来实验（如LZ或ILC）是否能探测到pMSSM中轻量中性ino暗物质的剩余可行参数空间？
• RQ5 可行基准点的直接探测截面与当前及未来限制相比如何？

主要发现

• 当 µ > 0 时，Z-共振区被当前LHC与LZ数据排除，而h-共振区仅在 µ > ∼850 GeV 时仍可行。
• 在 µ < 0 情景下，Z-与h-共振区中的极轻希格斯ino（125–155 GeV）仍能通过当前约束，尤其在Z-共振区中，当 µ ≈ –124 GeV 时尤为显著。
• µ > 0 与 µ < 0 情况下h-共振区的基准点，其自旋无关直接探测截面均位于当前LZ极限的12–13%以内，意味着仅需更少几天的LZ数据即可探测。
• µ < 0 情况下Z-共振区的基准点具有极小的SI直接探测截面（0.746 × 10⁻³ pb），因此最适宜通过专门的LHC电弱ino搜索探测。
• 未来正负电子对撞机如ILC与CEPC可分别探测高达0.4%与0.3%的隐形分支比，但无法完全覆盖µ < 0 情况下的允许参数空间。
• 在允许的 µ < 0 区域，Z → χ̃⁰₁χ̃⁰₁ 的部分宽度始终低于0.1 MeV，因此对ILC的Giga-Z模式不敏感。