[论文解读] Looking for supersymmetry: ~1 Tev WIMP and the power of complementarity in LHC and dark matter searches

Kamila Kowalska, Leszek Roszkowski+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文主张，约1 TeV的希格斯ino样中性子是最可行的暗物质候选者，可调和125 GeV希格斯玻色子质量与观测到的暗物质丰度。研究证明，该情形可通过即将开展的吨级直接探测实验与LHC搜索进行检验，且LHC与暗物质实验之间的互补性将使未来几年内对CMSSM模型实现近乎完全的检验。

ABSTRACT

Some doubts have been expressed about low energy supersymmetry (SUSY) following the first run of the LHC. In this talk I will try to present a more upbeat view based on data, rather than theoretical expectations. In particular, I will make the following points: (a) in my opinion the most attractive candidate for dark matter (DM) is now the lightest neutralino with mass around 1 TeV and with well defined properties (a nearly pure higgsino). This follows primarily from a combination of the properties of the discovered Higgs boson, in particular its mass close to 125 Gev, and the relic density of dark matter, and is most clearly visible in the context of unified, or constrained, SUSY frameworks, although the DM candidate is quite generic; (b) this DM candidate will be nearly fully tested in forthcoming one-tonne DM underground search detectors; (c) the CMSSM will be nearly fully tested in the next few years by a combination of expected data from LHC experiments and from direct DM searches, as well as potentially also by the Cherenkov Telescope Array; (d) if naturalness plays any real role in SUSY (which remains unclear), then the amount of fine tuning, which is very large in simple models like the CMSSM, can be significantly reduced (even down to 1 in 20) with properly selected boundary conditions at the unification scale; (e) the (g-2) muon anomaly can be accommodated not only in the context of the general MSSM but also of some unified SUSY models with some superpartners to be within reach of the LHC.

研究动机与目标

• 基于LHC运行1的结果，重新评估低能超对称性（SUSY）的可行性，以回应普遍存在的怀疑态度。
• 在约束超对称框架内，识别最有力的暗物质候选者，特别聚焦于约1 TeV的希格斯ino样中性子。
• 证明LHC、直接暗物质探测与间接探测（如CTA）的结合，为SUSY模型提供了强大且互补的检验平台。
• 展示通过GUT尺度的非最小边界条件，可显著降低SUSY中的微调，同时保持自然性。
• 探讨是否可通过放松规范耦合统一与选择子统一，使约束SUSY模型中容纳$(g-2)_\mu$异常。

提出的方法

• 利用希格斯玻色子质量、暗物质丰度与LHC限制，对约束最小超对称标准模型（CMSSM）进行贝叶斯后验概率分析。
• 应用LUX与XENON100的直接探测限制，并预测吨级实验的未来探测灵敏度。
• 利用$B_s \to \mu^+\mu^-$分支比测量作为CMSSM中$A$-共振区的探针，其中大$\tan\beta$同时增强暗物质湮灭与味破坏过程。
• 通过Barbieri-Giudice微调度量评估微调程度，并探索GUT尺度边界条件的选择，使微调降至1比20以内。
• 通过放松选择子与规范玻色子统一，分析约束SUSY模型中$(g-2)_\mu$异常的解法，使轻量级smuon与chargino成为可能，同时与LHC限制一致。
• 利用LHC搜索（色荷与电弱超对称费米子）、直接探测（WIMP-核子截面）与间接探测（通过CTA）之间的互补性，约束并检验SUSY参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管LHC运行1未发现新信号，约1 TeV的希格斯ino样中性子是否仍可作为可行的暗物质候选者？
• RQ2 结合LHC数据、直接暗物质探测与$B_s \to \mu^+\mu^-$测量结果，CMSSM模型在多大程度上可被检验？
• RQ3 通过GUT尺度的非最小边界条件，是否可显著降低SUSY中的微调，同时不违反实验约束？
• RQ4 是否可能在不破坏规范耦合统一或选择子质量统一的前提下，使约束SUSY模型容纳$(g-2)_\mu$异常？
• RQ5 LHC与直接暗物质探测之间的互补性，在多大程度上可有效探测CMSSM的完整参数空间？

主要发现

• 质量接近1 TeV且近乎纯希格斯ino组成的最轻中性子，是最可行的暗物质候选者，主要因其与125 GeV希格斯玻色子质量及观测到的暗物质丰度一致。
• 在CMSSM中，tau子共湮灭区与$A$-共振区分别被限制在2σ与1σ可信区间内，其中$A$-共振区占总贝叶斯概率的约30%。
• 参数空间的主要区域（约占总概率的70%）对应于多TeV量级的$m_0$与$m_{1/2}$，此时中性子为纯希格斯ino，该区域将被吨级直接探测实验完全探测。
• 通过结合LHC数据、直接探测限制（包括预测的吨级灵敏度）与$B_s \to \mu^+\mu^-$测量，CMSSM模型将在未来几年内近乎完全被检验。
• 通过在GUT尺度选择合适的边界条件，CMSSM中的微调可从超过1比3000降低至最低1比20，从而在更广泛的SUSY模型中保持自然性。
• $(g-2)_\mu$异常可在约束SUSY模型中通过放松规范玻色子与选择子统一得到容纳，导致轻量级smuon与chargino的产生，其质量范围在LHC运行2与14的探测能力之内，从而提供决定性检验。