[論文レビュー] Light Neutralino Dark Matter in the pMSSM: Implications of LEP, LHC and Dark Matter Searches on SUSY Particle Spectra

B. Bilki, M. Battaglia+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 89被引用数 34

ひとこと要約

本研究は、19個の自由パラメータを有する事象的MSSM（pMSSM）において、LEP、LHC、直接的・間接的ダークマター検出、およびフラーバー物理学の制約と整合する高統計スキャンを用いて、光る中性ノイザー暗黒物質のシナリオを調査する。主な発見は、すべての制約を満たした場合、次に軽いスピン特異性のスカラー・ボトムクォーク（\tilde{b}_1）がほぼ縮重である状況でのみ、DAMA、CoGENT、CRESSTの信号と整合する大きなスピン不変散乱断面積を実現できることが判明した。

ABSTRACT

We investigate the viability of light neutralino scenarios as promoted by dark matter direct detection experiments. Using high statistics scans in the pMSSM we have identified several scenarios which give rise to very light neutralinos with large direct detection scattering cross sections. Our results are challenged with constraints from dark matter relic density, direct detection, indirect detection, as well as flavour physics, electroweak precision tests, LEP and Tevatron limits, LHC limits on SUSY, Higgs and monojet searches. In particular we study the effect of a Higgs boson in the range 122.5 < Mh < 127.5 GeV. We show that several scenarios emerge in agreement with all the constraints, and we study their characteristics and the LHC sensitivity.

研究の動機と目的

• DAMA、CoGENT、CRESSTなどの直接検出実験からの矛盾する信号を踏まえ、5–40 GeVの光る中性ノイザー暗黒物質がpMSSMフレームワークで実現可能かどうかを評価すること。
• WMAPの残存密度、フェルミ-LATの間接検出限界、電弱精度テスト、LHC探索と整合する、光る中性ノイザーを有するpMSSMパラメータ点を同定すること。
• 最近のヒッグス粒子質量測定値（122.5–127.5 GeV）が、光る中性ノイザーのシナリオの実現可能性に与える影響を調査すること。
• 特に質量スプリングが小さい圧縮されたSUSYスペクトルにおける、LHCの感度を評価すること。

提案手法

• 制約付きモデル（CMSSMなど）を超える広範なSUSYパラメータ空間をカバーするため、19パラメータのpMSSMに対して5億点を超える高統計スキャンを実施する。
• チャージノ/ニュートラルノイザー対生成に関するLEPおよびLEP-2の厳密な制約、およびSUSY、ヒッグス、モノジェット探索に関するLHCの制約を適用する。
• フル検出器シミュレーションで検証された現実的な高速シミュレーションを用いて、8 TeVにおけるMETベースのSUSY探索のLHC反応をモデル化する。
• 光る中性ノイザーと大きな直接検出断面積を持つシナリオに注目し、WMAPの残存密度とFermi-LATの間接検出限界と整合することを保証する。
• MET（欠落横断運動量）およびジェットの横断運動量（pT）の運動学的分布を分析し、METベースのSUSY探索におけるトリガーおよび選別効率を評価する。
• WMAPの残存密度制約を緩和することで、主に\tilde{b}_1 NLSPクラスとは異なる代替の有効なシナリオを探索する影響をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LEP、LHC、残存密度、フラーバー、間接検出の制約すべてと整合する光る中性ノイザー暗黒物質のシナリオ（5–40 GeV）は、pMSSMで実現可能か？
• RQ2 DAMA、CoGENT、CRESSTが報告する直接検出信号と整合するSUSY粒子スペクトルは、光る中性ノイザーをダークマター候補と仮定した場合、どのようなものか？
• RQ3 測定されたヒッグス粒子質量（122.5–127.5 GeV）は、pMSSMにおける光る中性ノイザーのシナリオの実現可能性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 特にLSPとNLSPの間の質量スプリングが小さい圧縮されたスペクトルを持つ場合、LHCは光る中性ノイザーのシナリオに対してどの程度感度を示すか？
• RQ5 残存密度制約を緩和した場合、\tilde{b}_1 NLSPクラス以外の有効なシナリオは存在するか？

主な発見

• LEP、LHC、残存密度、フラーバー、間接検出のすべての制約と整合する唯一の有効なシナリオは、最も軽いスカラー・ボトムクォーク（\tilde{b}_1）が最も軽いニュートラルノイザー（\tilde{\chi}^0_1）とほぼ質量が縮重である場合であり、これにより大きなスピン不変散乱断面積が得られる。
• この\tilde{b}_1 NLSPシナリオでは、8 TeVにおける生成断面積は約0.6 μbであり、エネルギーが小さい横断方向のエネルギーが支配的であるため、標準的なMETベースの探索ではトリガーが困難である。
• METおよびジェットpTのカットを130 GeVから75 GeVおよび50 GeVに緩和すると、選別効率は0.003および0.012に向上し、修正された分析戦略により検出可能である可能性が示唆される。
• チャージノまたは Slepton がNLSPであるシナリオは、WMAPの残存密度制約を緩和した場合にのみ有効となることが判明し、宇宙論的制約に強く依存していることが示された。
• 本研究では、現在のCDMSおよびXENONの限界に近い断面積を持つpMSSMポイントの有意な割合が同定され、このような光る中性ノイザーのモデルが直接検出の制約によって除外されないことが示された。
• 分析により、LHCの標準的なMETベースの探索は、これらの圧縮された低運動量最終状態には最適化されていないことが確認され、現在のSUSY探索戦略に潜在的なギャップがあることが浮き彫りになった。