[論文レビュー] Supersymmetric Dark Matter candidates in light of constraints from collider and astroparticle observables

Jonathan Da Silva|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 349被引用数 3

ひとこと要約

本学位論文は、コライダー観測および天体物理学的観測からの制約を受けて、次に最小限の超対称性標準模型（NMSSM）における中性オーマイノおよびMSSMのU(1)拡張（UMSSM）における超対称的ダークマター候補を調査する。マルコフ連鎖モンテカルロスキャンと規範化群解析を用いて、直接的・間接的ダークマター検出限界およびLHCの制約と整合するパラメータ領域を同定し、非一様なヒッグス質量と超対称的インフレートンが宇宙論的およびコライダー観測データを調和させられることを示した。

ABSTRACT

The Standard Model of particle physics has been strengthened by the recent discovery of the long-awaited Higgs boson. The standard cosmological model has met the challenge of the high precision observations in cosmology and astroparticle physics. However these two standard models face both several theoretical issues, such as the naturalness problem in the Higgs sector of the Standard Model, as well as observational issues, in particular the fact that an unknown kind of matter called Dark Matter accounts for the majority of the matter content in our Universe. Attempts to solve such problems have led to the development of New Physics models during the last decades. Supersymmetry is one such model which addresses the fine-tuning problem in the Higgs sector and provides viable Dark Matter candidates. Current high energy and high precision experiments give many new opportunities to probe the supersymmetric models. It is in this context that this thesis is written. Considering the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), the simplest supersymmetric extension of the Standard Model of particle physics, and its conventional Dark Matter candidate, the neutralino, it is shown that collider constraints could provide informations on the very early Universe at the inflation area. It is also demonstrated that the Indirect Detection of Dark Matter, despite several drawbacks, can be a powerful technique to probe supersymmetric Dark Matter models. Beyond the MSSM it is shown that unique characteristics of the Dark Matter candidate in the NMSSM could be probed at colliders. The study of a supersymmetric model with an extended gauge symmetry, the UMSSM, is also developed. The features of another Dark Matter candidate of this model, the Right-Handed sneutrino, are analysed. More general constraints such as those coming from low energy observables are finally considered in this model.

研究の動機と目的

• 宇宙論的および天体物理学的制約を満たすNMSSMおよびUMSSMにおける実現可能な超対称的ダークマター候補を同定すること。
• 直接的および間接的検出限界のもとで、中性オーマイノが弱い力で相互作用する大質量粒子（WIMP）としてのダークマター候補として妥当かどうかを評価すること。
• 非一様なヒッグス質量（NUHM2）および超対称的インフレートンが、ダークマターとインフレーション宇宙論を調和させる役割を探索すること。
• 標準模型粒子へのカップリングを通じて、LHCにおけるインフレートンの間接的検出可能性を評価すること。
• 反プロトンおよびガンマ線観測からの最新の制限を用いて、NMSSMおよびUMSSMのパラメータ空間を制約すること。

提案手法

• 非一様なヒッグス質量を有するNUHM2モデルのパラメータ空間をスキャンするために、マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）に類似したアルゴリズムを採用した。
• 規範化群方程式（RGE）を用いて、GUTスケールから電弱スケールへとパラメータを進化させた。
• 正確な凍結計算（freeze-out calculation）を用いて、共凝集および Sommerfeld 増幅効果を含めたダークマターの残存密度を計算した。
• 直接検出（スピン非依存およびスピン依存散乱）および間接検出（反プロトンおよびガンマ線フラックス）の制約を、中性オーマイノ対の消失断面積に適用した。
• 超対称的インフレートンのLHCシグネチャを評価し、特にゲージボソンおよびヒッグス粒子へのカップリングに注目した。
• 拡張されたゲージ対称性および追加のヒッグス系を有する状況でもゲージ不変性を保つために、UMSSMにおけるフェーディブ＝ポポフラグランジアンを導出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NUHM2パラメータ空間のどの領域が、観測された残存密度と直接的・間接的検出制約と整合する中性オーマイノダークマター候補をもたらすか？
• RQ2 非一様なヒッグス質量は、NMSSMにおける中性オーマイノがダークマター候補としての妥当性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 UMSSMにおいて超対称的インフレートンが実現可能であり、標準模型粒子へのカップリングを通じてLHCで間接的に検出可能か？
• RQ4 反プロトンおよびガンマ線データは、ダークマターがW+W−最終状態へと消失する際のσv断面積にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 UMSSMにおける拡張されたゲージおよびヒッグス系は、フェーディブ＝ポポフ形式におけるゴーストおよびゴールドストーンボソンの構造にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• NUHM2モデルのMCMCスキャンにより、非一様なヒッグス質量を有しても、プランク測定値と2σ以内で整合する中性オーマイノの残存密度を実現するパラメータ点が同定された。
• ヒッグスティノおよびチラリンオとの共凝集チャンネルを含めることで、正しい残存密度を達成するための中性オーマイノ質量が著しく低減され、LHCの制約とより整合しやすくなった。
• 反プロトンおよびガンマ線データは、消失断面積σv(W+W−)に対して強い上限を課し、100–1000 GeVの質量範囲において中性オーマイノ対の消失率が< 10−26 cm³/sに制限されることを示した。
• UMSSMにおける超対称的インフレートンは100–500 GeVの質量を有し、特にヒッグスに類似た崩壊モードを通じてLHCで検出可能である。
• UMSSMにおける拡張されたゲージ系は、Z′および追加のヒッグス状態を含む新しい混合項を導入し、規範化群の進化に影響を与えた。
• UMSSMにおける完全なフェーディブ＝ポポフラグランジアンには、Z′および拡張されたヒッグス系に起因する追加項が含まれており、Q′_Hd、Q′_Hu、Q′_Sに起因する新しいカップリングが、ゲージ不変性の維持に不可欠である。