[论文解读] Blind spots for neutralinos in NMSSM with light singlet scalar

Marcin Badziak, Marek Olechowski+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 4

一句话总结

该论文推导了在具有轻希格斯单态标量和希格斯ino-单态子型轻希格斯超对称粒子（LSP）的下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中，自旋无关直接探测盲点的解析条件。结果表明，与MSSM相比，此类盲点——即LSP-核子散射截面被抑制的区域——在NMSSM中更容易实现，尤其是在单态标量质量处于LEP favored范围（85–100 GeV）时，这得益于增强的混合效应和单态子主导特性，而隐形希格斯衰变和LUX/XENON1T实验约束则共同塑造了可行的参数空间。

ABSTRACT

A substantial contribution to the SM-like Higgs mass may come from the mixing with the lightest singlet-dominated scalar in NMSSM for moderate or large values of $ anβ$ [1]. The LSP neutralino in this model may also contain the singlet component - singlino. In this work we analyze the direct detection cross section for a Higgsino-singlino LSP with the emphasis on possible direct detection blind spots in the parameter space. Correlations between the LSP properties and the effects in the Higgs sector coming from the mixing are also discussed.

研究动机与目标

• 识别并表征具有轻单态标量和希格斯ino-单态子LSP的NMSSM中的自旋无关（SI）直接探测盲点。
• 研究希格斯-单态混合如何影响LSP-核子散射截面，并实现SI截面的抑制。
• 探讨LSP组分（单态子主导）、希格斯 sector 混合与实验约束（如LEP、LUX、XENON1T及隐形希格斯衰变）之间的相互作用。
• 比较一般NMSSM与$μ^\prime=0$极限（如$η_8^R$-对称模型）中盲点的可行性，突出参数空间约束的差异。

提出的方法

• 推导NMSSM中中性子混合矩阵元的精确树图解析表达式，将LSP组分与模型参数（如$\lambda$, $\mu$, $\tan\beta$, $\kappa$）关联起来。
• 引入自旋无关散射截面$\sigma_{\rm SI}$的盲点条件（公式18），该条件源于希格斯粒子与单态交换对LSP-核子耦合的贡献相互抵消。
• 利用对角化矩阵元$N_{j3}/N_{j5}$和$N_{j4}/N_{j5}$（公式6）将LSP的希格斯ino和单态子分量表示为$m_{\chi}/\mu$, $\lambda v/\mu$, 和$\beta$的函数。
• 在不同区域进行解析近似：小$|m_{\chi}/\mu|$（接近$\sin 2\beta$）和接近$|m_{\chi}/\mu| \approx 1$，以识别盲点条件（公式22和23）。
• 应用LEP（对$m_s$的约束）、LUX和XENON1T（对$\sigma_{\rm SI}$的约束）以及隐形希格斯衰变（对$m_{\chi} < m_h/2$的约束）来评估可行参数空间。
• 在$(m_{\chi}/\mu, \sigma^{(n)}_{\rm SD})$平面（图3）进行数值扫描，可视化低于实验限的区域，并区分$c_s < 1$与$c_s > 1$的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NMSSM中，具有希格斯ino-单态子LSP的自旋无关直接探测截面在何种条件下会消失或被强烈抑制？
• RQ2 SM类希格斯与轻单态主导标量之间的混合如何影响LSP-核子散射截面以及盲点的存在性？
• RQ3 单态标量质量（$m_s$）在实现或限制直接探测盲点中起什么作用，特别是在85–100 GeV的LEP favored窗口内？
• RQ4 隐形希格斯衰变和$\mu^\prime=0$对称性约束如何影响NMSSM参数空间中盲点区域的可行性？
• RQ5 NMSSM中的盲点是否比MSSM中更容易实现？其潜在机制的关键差异是什么？

主要发现

• 由于单态标量对LSP-核子散射振幅的额外贡献，具有轻单态标量的NMSSM中的盲点比MSSM中更容易实现。
• 当$c_s < 1$（希格斯中单态分量较小）时，盲点出现在$m_{\chi}/\mu \approx \sin 2\beta$处，但仅当$m_s \approx 85\text{--}100$ GeV时才与LEP约束相容。
• 当$c_s > 1$时，盲点可能出现在$m_{\chi}/\mu \approx 1$附近，但前提是$m_{\chi}\mu$的符号为负，且$|\lambda v/\mu|$需适当微调。
• XENON100实验排除了某些小$|\mu|$区域，这些区域本可能产生盲点，凸显了自旋依赖散射约束对未来探测的重要性。
• 在$\mu^\prime=0$情形（如$\mathbb{Z}_8^R$-对称模型）中，单态子主导区域受到更强约束，盲点要求$|\mu| \gtrsim 500 \times (\tan\beta/10)$ GeV，以避免$m_{\chi} < m_h/2$并满足隐形希格斯衰变限制。
• 在图3的蓝色区域中，当$\mu = 150$ GeV时，可实现$\sim 10^{-46}$ cm²的中微子本底极限，表明未来直接探测实验存在可行的参数空间。