[论文解读] Neutralino Dark Matter with Light Staus

Aaron Pierce, Nausheen R. Shah+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 58被引用 20

一句话总结

该论文提出了一种在MSSM中可行的暗物质场景，其中轻量级右 slepton（≈100 GeV）通过t通道交换介导中性子湮灭，从而在无需质量简并的情况下实现正确的遗迹密度。两种不同的现象学情景浮现：一种是中性子具有希格斯ino成分，可产生直接探测信号；另一种是大尺度右 slepton混合增强了希格斯玻色子→γγ衰变率，两者均可在对撞机和希格斯玻色子精密测量中检验。

ABSTRACT

In spite of rapid experimental progress, windows for light superparticles remain. One possibility is a ~100 GeV tau slepton whose t-channel exchange can give the correct thermal relic abundance for a relatively light neutralino. We pedagogically review how this region arises and identify two distinct scenarios that will be tested soon on multiple fronts. In the first, the neutralino has a significant down-type higgsino fraction and relatively large rates at direct detection experiments are expected. In the second, there is large mixing between two relatively light staus, which could lead to a significant excess in the Higgs boson branching ratio to photons. In addition, electroweak superpartners are sufficiently light that direct searches should be effective.

研究动机与目标

• 在存在严格LHC和直接探测约束的条件下，识别MSSM中具有轻量级超对称粒子（特别是轻量级右 slepton）的可行暗物质场景。
• 探讨轻量级右 slepton（≈100 GeV）如何通过t通道交换介导中性子湮灭，以实现观测到的遗迹密度，避免对右 slepton共湮灭的依赖。
• 识别两种不同的现象学区域：一种是中性子具有显著希格斯ino成分，可实现直接探测；另一种是右 slepton混合较大，可增强希格斯玻色子→γγ分支比。
• 评估这些场景通过未来对撞机搜索、直接探测实验和希格斯玻色子精密测量的可检验性。

提出的方法

• 分析中性子湮灭过程χχ → ττ中t通道右 slepton交换，使用MSSM拉格朗日量及从中性子和右 slepton质量矩阵推导出的右 slepton-中性子耦合。
• 利用中性子混合矩阵N_ij和右 slepton混合角τ，推导右 slepton-中性子耦合强度g_L和g_R，同时考虑tanβ增强的Yukawa耦合。
• 通过湮灭截面σv评估热遗迹密度，结合s通道和t通道贡献，重点关注‘大质量右 slepton’区域中t通道占主导的情况。
• 应用圈图函数A₀[x]、A₁[x]和A₁/₂[x]计算希格斯玻色子→γγ衰变宽度，包含虚右 slepton在圈图中的贡献。
• 使用中性子质量矩阵M_N和右 slepton质量矩阵M²_τ计算质量本征态和混合角，参数受MSSM参数空间约束。
• 考虑大tanβ和小M₂对中性子组分的影响，表明希格斯ino和Wino成分变得次要，而Bino成为主导的LSP。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻量级右 slepton（≈100 GeV）是否能通过t通道交换介导中性子湮灭，实现正确的热遗迹密度，而无需与LSP质量简并？
• RQ2 在存在轻量级右 slepton的情况下，具有非平凡希格斯ino成分的中性子的直接探测前景如何？
• RQ3 大尺度右 slepton混合如何导致希格斯玻色子分支比到二光子的显著增强？
• RQ4 当前和未来的对撞机实验、直接探测以及希格斯玻色子精密测量在多大程度上能探测到右 slepton介导的湮灭过程？
• RQ5 tanβ在增强右 slepton介导的湮灭和改变希格斯玻色子→γγ衰变率方面起到什么作用？

主要发现

• 轻量级右 slepton（≈100 GeV）可通过t通道介导中性子湮灭为ττ对，实现正确的遗迹密度，即使LSP主要为Bino也无需共湮灭。
• 在中性子具有显著希格斯ino成分的场景中，由于tanβ依赖的Yukawa耦合，直接探测截面被增强，使得LSP可在近期内的实验中被探测到。
• 大尺度右 slepton混合导致显著的s波湮灭率，可使希格斯玻色子分支比到二光子增强达1.5–2倍，具体取决于右 slepton质量和混合角。
• 希格斯玻色子→γγ衰变率仍处于当前实验范围内（CMS：0.78–1.11，ATLAS：1.65），但若接近ATLAS值的偏离可能通过右 slepton圈图揭示新物理。
• 电弱超对称粒子（包括右 slepton）质量足够轻（≈100 GeV），使得LHC对右 slepton和中性子的直接搜索对这些场景具有敏感性。
• 即使在LEP和LHC对右 slepton的约束下，该模型依然可行，原因在于右 slepton相比选择子和超mu子受到更弱的约束，且t通道介导机制避免了共湮灭限制。