[论文解读] A lower bound on light neutralino dark matter from LHC data

Lorenzo Calibbi, Jonas M. Lindert+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文利用8 TeV能区的LHC数据，为MSSM中轻量级Bino类中性子暗物质候选者建立了质量下限。研究发现，此类轻量中性子（低至~22–24 GeV）仅在右手中微τ（right-handed stau）和Higgsino类带电粒子/中性子相对较轻时才可行；ATLAS的多τ末态与缺失横向动量搜索对这一情形构成强约束，除非Higgsino-τ质量差较小或不可见Higgs分支比受到严格限制，否则将排除大部分参数空间。

ABSTRACT

Under the hypothesis that the MSSM neutralino accounts for the observed dark matter density, we investigate how light this particle is still allowed to be after the latest LHC data. In particular, we discuss the impact of searches for events with multiple taus and missing transverse momentum, which are a generic prediction of the light neutralino scenario.

研究动机与目标

• 确定在MSSM中满足观测到的遗迹密度约束的Bino类中性子暗物质候选者所能允许的最小质量。
• 研究此类轻量中性子暗物质在LHC中的现象学信号，特别是带有缺失横向动量的多τ末态。
• 利用LHC数据和不可见Higgs衰变测量结果，约束涉及Bino、τ和Higgsino质量的简化MSSM模型的参数空间。
• 通过包含负Higgsino质量参数（μ < 0）的情况，扩展先前分析，该情况此前因μ子反常磁矩而被认为不被青睐。
• 评估ATLAS多τ搜索与不可见Higgs分支比限制相结合对轻量中性子暗物质可行性的综合影响。

提出的方法

• 构建一个仅包含四个关键参数的简化模型：右手中微τ质量（$m_{\tilde{\tau}_R}$）、Bino质量（$M_1$）、Higgsino质量（$\mu$）和$\tan\beta$，以描述轻量中性子暗物质的主要湮灭过程。
• 应用遗迹密度约束$\Omega_{\rm DM}h^2 \leq 0.124$（3σ水平）以筛选可行的参数点，要求通过t通道τ交换实现高效的共湮灭。
• 使用Herwig++模拟多τ + 缺失$E_T$末态的信号事件，QCD修正通过Prospino 2应用，探测器效应通过Delphes 3建模。
• 将ATLAS 20 fb⁻¹的多τ + 缺失$E_T$搜索结果重新解释于该简化模型中，应用与原始分析相同的切割条件和信号区域。
• 将不可见Higgs分支比$\mathrm{BR}(h \to \text{invisible}) \lesssim 20\%$（95% CL）作为额外约束，以排除具有大不可见Higgs衰变的区域。
• 在$m_{\tilde{\tau}_1}$和$m_{\tilde{\chi}^0_3}$上扫描参数空间，分别独立处理$\mu > 0$和$\mu < 0$的情况，以评估Higgs子与中性子耦合中干涉效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足观测到的遗迹密度约束的MSSM中，Bino类中性子暗物质候选者的最小质量允许值是多少？
• RQ2 LHC多τ + 缺失横向动量搜索如何约束具有轻量τ和Higgsino类粒子的轻量中性子暗物质的参数空间？
• RQ3 不可见Higgs分支比限制对轻量中性子暗物质情景的可行性有何影响？
• RQ4 Higgsino质量参数$\mu$的符号如何影响轻量中性子情景下的现象学特征与约束？
• RQ5 多τ搜索与不可见Higgs衰变的联合约束是否强于直接或间接暗物质探测的约束？

主要发现

• 基于ATLAS多τ搜索限制，$\mu > 0$时中性子质量下限为$m_{\tilde{\chi}^0_1} \gtrsim 24\ \text{GeV}$，$\mu < 0$时为$m_{\tilde{\chi}^0_1} \gtrsim 22\ \text{GeV}$。
• ATLAS多τ搜索在相关参数空间中排除了高达$\approx 380\ \text{GeV}$的Higgsinos和高达$\approx 230\ \text{GeV}$的staus。
• 当$\mu < 0$时，仅在Higgsino-τ质量差较小（导致软τ）且$\mathrm{BR}_{h}^\text{inv} \approx 20\%$时可行，该值处于当前实验限制的边缘。
• 对于$\mu > 0$，幸存的参数空间仅限于Higgsinos质量较重（$\gtrsim 320\ \text{GeV}$）且staus接近LEP边界的情况。
• 不可见Higgs分支比约束$\mathrm{BR}_{h}^\text{inv} \lesssim 20\%$（95% CL）进一步限制了允许的参数空间，尤其对$\mu > 0$情况更为严格。
• 本研究首次对$\mu < 0$情况进行了详细分析，表明尽管此前因μ子反常磁矩而受到理论抑制，其现象学特征与$\mu > 0$情况在定性上相似。