[논문 리뷰] Non-thermal CMSSM with a 125 GeV Higgs

Luis Aparicio, Michele Cicoli외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 19.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 47인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 제약된 최소 초대칭 표준모형(CMSSM) 내에서 인플레이션 이후 재가열 온도를 추가 자유 매개변수로 포함하는 비열적 우주론적 시나리오를 제안한다. 비열적 메커니즘이 늦은 모듈러스 붕괴로 인해 실패하는 바람에 표준 열적 메커니즘이 실패하더라도, 질량 약 300 GeV인 힉스이노 유사 LSP와 재가열 온도 약 2 GeV가 관측된 암흑물질 잔류 밀도를 재현할 수 있음을 보여준다. 이는 LHC, 플랑크 및 직접/간접 탐측 제약 조건과도 일치한다.

ABSTRACT

We study the phenomenology of the CMSSM/mSUGRA with non-thermal neutralino dark matter. Besides the standard parameters of the CMSSM we include the reheating temperature as an extra parameter. Imposing radiative electroweak symmetry breaking with a Higgs mass around 125 GeV and no dark matter overproduction, we contrast the scenario with different experimental bounds from colliders (LEP, LHC), cosmic microwave background (Planck), direct (LUX, XENON100, CDMS, IceCube) and indirect (Fermi) dark matter searches. The allowed parameter space is characterised by a Higgsino-like LSP with a mass around 300 GeV. The observed dark matter abundance can be saturated for reheating temperatures around 2 GeV while larger temperatures require extra non-neutralino dark matter candidates and extend the allowed parameter space. Sfermion and gluino masses are in the few TeV region. These scenarios can be achieved in string models of sequestered supersymmetry breaking which avoid cosmological moduli problems and are compatible with gauge coupling unification. Astrophysics and particle physics experiments will fully investigate this non-thermal scenario in the near future.

연구 동기 및 목표

• 늦은 모듈러스 붕괴를 통한 비열적 암흑물질 생성을 고려한 CMSSM의 현상학을 탐색하고, 재가열 온도를 추가 매개변수로 도입한다.
• 비열적 우주론적 프레임워크 내에서 관측된 125 GeV 힉스 보손 질량과 타당한 암흑물질 잔류 밀도를 일치시킨다.
• 이론 모델을 콜라이더(LHC, LEP), CMB(플랑크), 그리고 직접/간접 암흑물질 탐측 제약(LUX, XENON100, 페르미, 아이스큐브)에 대해 검증한다.
• 우주론적 모듈러스 문제를 고려할 때도 관측된 암흑물질 밀도가 과잉생산 없이 포화되는 가능성이 있는 매개변수 영역을 규명한다.
• 분리된 초대칭 깨짐과 게이지 상수 통합을 갖는 끈 이론 모델에서 이 시나리오가 어떻게 통합될 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 재가열 온도 $ T_R $ 를 추가 자유 매개변수로 포함하여 표준 CMSSM/mSUGRA 매개변수 공간을 확장한다.
• 125 GeV의 힉스 질량을 고정하고, LHC 측정치와 일치하는 방식으로 자동 전자기 대칭 붕괴를 도입한다.
• 중성미소 LSP의 잔류 밀도를 비열적 방식으로 계산하며, 물질 우도 이후 장수명의 모듈러스 필드 붕괴로부터 생성된 것으로 가정한다.
• LEP, LHC, 플랑크, LUX, XENON100, CDMS, 페르미, 아이스큐브의 제약 조건을 적용하여 매개변수 공간을 제약한다.
• μ-매개변수의 부호가 양수 및 음수인 경우를 모두 고려하며, 주로 힉스이노 유사 LSP에 초점을 맞춘다.
• 끈 이론에 기반한 고에너지 이론 완성형을 고려하며, $ T_R \sim M_P \epsilon^{9/4} $, $ m_{\text{mod}} \sim M_P \epsilon^{3/2} $, $ M_{\text{soft}} \sim M_P \epsilon^2 $ 를 가정한다. $ \epsilon \sim 10^{-8} $ 일 때 $ T_R \sim 1-10 $ GeV, $ M_{\text{soft}} \sim \text{TeV} $ 가 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMSSM 내에서 비열적 우주론적 역사를 고려할 때, 관측된 125 GeV 힉스 보손 질량과 정확한 암흑물질 잔류 밀도를 재현할 수 있는가?
• RQ2 관측된 암흑물질 밀도가 과잉생산 없이 포화되는 데 필요한 재가열 온도 $ T_R $ 의 허용 범위는 무엇인가?
• RQ3 직접 및 간접 암흑물질 탐측 제약(특히 LUX와 페르미)이 타당한 매개변수 공간을 어떻게 좁히는가?
• RQ4 이 비열적 시나리오에서 콜라이더 현상학, 특히 LHC 및 향후 100 TeV 기계에서의 의미는 무엇인가?
• RQ5 이 비열적 CMSSM는 분리된 초대칭 깨짐과 게이지 상수 통합을 갖는 끈 단순화 모델에 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 질량 약 300 GeV인 힉스이노 유사 LSP와 재가열 온도 $ T_R \simeq 2 $ GeV일 때 관측된 암흑물질 잔류 밀도가 포화된다.
• LUX와 페르미 제약 조건이 가장 엄격하며, 타당한 매개변수 공간을 $ T_R \simeq 2 $ GeV와 $ m_\chi \simeq 300 $ GeV를 중심으로 작은 영역으로 좁힌다.
• $ T_R > 2 $ GeV일 경우, 전체 관측 잔류 밀도를 설명하기 위해 추가로 비중성미소 암흑물질 성분이 필요하다.
• 스퍼미온과 글루이노 질량은 수 테라볼트 범위로 예측되며, 현재 LHC의 해상도를 초월하지만 향후 100 TeV 콜라이더에서 접근 가능할 것이다.
• 이 모델은 가벼운 치아린오와 중성미소 스펙트럼이 거의 일치하는 예측을 하며, 이는 LHC에서 미드 에너지 제트 + 부드러운 레프톤 + 미량 에너지 서명으로 탐지될 수 있다.
• 끈 이론 모델에서 $ \epsilon \sim 10^{-8} $ 일 때 자연스럽게 $ T_R \sim 1-10 $ GeV, $ m_{\text{mod}} \sim 10^6 $ GeV, $ M_{\text{soft}} \sim \text{TeV} $ 가 되며, 이는 이론이 고에너지 이론적으로 완성 가능하고 통합과도 일치한다.