[论文解读] Axino Dark Matter in Anomalous U(1)' Models

Francesco Fucito, Andrea Lionetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出在MSSM的最小异常U(1)'扩展中，Stuckelberg规范玻色子的费米子超对粒子——轴子——作为可行的暗物质候选者。在解耦极限下，轴子成为最轻的超对称粒子（LSP），其热退相干密度通过与近乎简并的次轻量超对称粒子（NLSP）和次次轻量超对称粒子（NNLSP）的共湮灭过程计算得出，在微扰参数空间内成功满足WMAP约束。

ABSTRACT

We study a possible dark matter candidate in the framework of a minimal anomalous $U(1)'$ extension of the MSSM. It turns out that in a suitable decoupling limit the Stuckelino, the fermionic degree of freedom of the Stuckelberg multiplet, is the lightest supersymmetric particle (LSP). We compute the relic density of this particle including coannihilations with the next to lightest supersymmetric particle (NLSP) and with the next to next to lightest supersymmetric particle (NNLSP) which are assumed almost degenerate in mass. This assumption is needed in order to satisfy the stringent limits that the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) puts on the relic density. We find that the WMAP constraints can be satisifed by different NLSP and NNLSP configurations as a function of the mass gap with the LSP. These results hold in the parameter space region where the model remains perturbative.

研究动机与目标

• 探索在MSSM的最小异常U(1)'扩展中，轴子作为暗物质候选者的可能性。
• 确定轴子成为最轻的超对称粒子（LSP）的条件。
• 计算包含与次轻量（NLSP）和次次轻量（NNLSP）超对称粒子共湮灭效应的轴子热退相干密度。
• 在微扰参数空间内满足对暗物质热退相干密度的严格WMAP约束。

提出的方法

• 在异常U(1)'模型中假设解耦极限，Stuckelberg多重态的费米子组分（轴子）成为LSP。
• 通过包含NLSP和NNLSP共湮灭通道的热退相干丰度计算，计算轴子的热退相干密度。
• 假设NLSP和NNLSP的质量与轴子近乎简并，以抑制暗物质的过度产生。
• 通过限制参数空间，使规范耦合保持在微扰范围内，以维持模型的微扰性。
• 使用标准玻尔兹曼方程对共湮灭物种进行热退相干密度计算。
• 将结果与WMAP对总暗物质热退相干密度的约束进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 当轴子是超对称粒子中最轻者时，其在异常U(1)'模型中是否可作为可行的暗物质候选者？
• RQ2 与近乎简并的NLSP和NNLSP共湮灭如何影响该模型中轴子的热退相干密度？
• RQ3 哪些参数空间区域允许轴子在保持微扰性的同时满足WMAP对热退相干密度的约束？
• RQ4 轴子与其共湮灭伙伴之间的质量间隙在何种范围内与观测到的暗物质丰度一致？
• RQ5 Stuckelberg多重态的解耦极限在何种条件下导致稳定的轴子LSP？

主要发现

• 在异常U(1)'模型的解耦极限下，轴子成为最轻的超对称粒子（LSP）。
• 与近乎简并的NLSP和NNLSP的共湮灭显著抑制了轴子的热退相干密度，使其能够满足WMAP约束。
• WMAP热退相干密度限制在不同NLSP和NNLSP配置下均被满足，具体取决于其与轴子的质量间隙。
• 结果在模型参数空间的微扰区域内保持有效。
• 该模型支持一个可行的暗物质候选者，且无需对轴子质量或耦合常数进行精细调节。