[论文解读] SUSY Dark Matter: Closing The Parameter Space

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta|ArXiv.org|Oct 24, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文分析了来自对撞机和宇宙学数据的约束，针对mSUGRA和非幺模SUGRA模型中的超对称（SUSY）暗物质。结果表明，当前对希格斯玻色子质量、b→sγ衰变、暗物质丰度以及μ子g−2异常的联合限制，已排除了大部分参数空间，要求胶球子质量最小为~300–350 GeV，中性子质量大于120 GeV。非幺模的软对称性破缺项可使某些区域重新开放，且暗物质探测截面显著增强。

ABSTRACT

We consider here the constraints in SUGRA models on the SUSY parameter space due to current experimental bounds on the light Higgs mass m_h, the b-> s gamma decay, the amount of neutralino cold dark matter Omega h^2, and the muon magnetic moment. Models with universal soft breaking (mSUGRA) and non-universal gaugino or Higgs masses at M_G are examined. For mSUGRA, the m_h, b->s gamma and Omega h^2 constraints imply a lower bound on the gaugino mass of m_{1/2}>~300GeV implying the gluino and squarks have mass >~700GeV, and the neutralino >~120GeV. The current status of the Brookhaven muon g - 2 experiment is reviewed, and if the Standard Model (SM) contribution evaluated using the e^+ + e^- data is correct, a 2 sigma bound on the deviation of experiment from the SM produces an upper bound on m_{1/2} that eliminates the "focus point" regions of parameter space. Dark matter (DM) detection cross sections range from 5 imes10^{-8} pb to 5 imes10^{-10} pb which would be accessible to future planned detectors. The SUSY decay B_s->μ^+ +μ^- is seen to be accessible to the Tevatron Run 2B with 15 fb^{-1} luminosity for tanbeta >~30. The most favorable signals of SUSY for linear colliders are stau pair production and neutralino pair production, though it will require an 800GeV machine to cover the full parameter space. Non-universal models can modify some of the above results. Thus a non-universal (heavier) gluino mass at M_G can significantly reduce the lower bound constraints of b o s gamma and m_h giving rise to a lighter SUSY spectrum. A heavier up Higgs mass can open an additional region with allowed relic density arising from annihilation via the s-channel Z diagram with an O(10) larger DM detector cross section.

研究动机与目标

• 利用当前实验数据，约束mSUGRA和非幺模SUGRA模型中的SUSY参数空间。
• 评估希格斯玻色子质量、b→sγ衰变、暗物质丰度以及μ子磁矩异常对SUSY参数限制的影响。
• 评估通过直接探测和加速器信号探测中性子暗物质的可能性。
• 探讨非幺模软对称性破缺项如何改变mSUGRA的约束条件。
• 确定未来对撞机和暗物质探测实验在探测剩余参数空间方面的可行性。

提出的方法

• 采用包含四个参数（m₀, m₁/₂, A₀, tanβ）和一个符号的mSUGRA模型，模拟SUSY现象学。
• 应用来自LEP的希格斯玻色子质量限制（mₕ > 111 GeV）、b→sγ分支比（1.8–4.5×10⁻⁴）以及来自CMB的Ω_CDMh²（0.07–0.21）约束。
• 结合布鲁克海文E821实验中μ子g−2结果的2σ偏差（Δa_μ = 33.9×10⁻¹⁰），以限制SUSY贡献。
• 通过热冻结过程评估中性子的原初丰度，包括selectron共湮灭和Z玻色子s通道湮灭过程。
• 利用有效场论和费曼图分析中性子-质子散射截面σ_χ¹⁰−p。
• 在GUT尺度考虑非幺模的规范子和希格斯玻色子质量，以检验mSUGRA约束的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 mₕ、b→sγ、Ω_CDMh²和a_μ的联合约束对mSUGRA参数空间有何影响？
• RQ2 当前对μ子磁矩异常的限制如何影响mSUGRA中‘聚焦点’区域的可行性？
• RQ3 非幺模软对称性破缺质量对m₁/₂下限和暗物质探测截面有何影响？
• RQ4 在m₀–m₁/₂平面上，哪些区域的原初丰度与观测一致，其对应的探测率如何？
• RQ5 在受限参数空间内，Tevatron或NLC能否观测到关键SUSY信号，如B_s→μ⁺μ⁻或selectron/中性子对产生？

主要发现

• mSUGRA参数空间受到强烈约束，要求m₁/₂ > 300 GeV以满足mₕ > 111 GeV、b→sγ和Ω_CDMh²的限制。
• 中性子质量被限制在m_χ̃¹⁰ > 120 GeV，胶球子质量为m_~g > 750 GeV，带电超对称费米子质量为m_~χ±¹ > 240 GeV。
• 若e⁺e⁻基标准模型对强子真空极化的评价正确，则a_μ的2σ限制消除了大m₀下的‘聚焦点’区域。
• 暗物质直接探测截面范围为5×10⁻⁸ pb至5×10⁻¹⁰ pb，可被下一代探测器探测到。
• 当tanβ > 30时，Tevatron Run 2B在15 fb⁻¹数据下可探测B_s→μ⁺μ⁻衰变。
• 非幺模希格斯质量可增强Z玻色子s通道湮灭速率，在高m₀和低m₁/₂区域打开新的暗物质区域，其探测截面可达selectron共湮灭区域的10倍。