[论文解读] CoGeNT, DAMA, and Neutralino Dark Matter in the Next-To-Minimal Supersymmetric Standard Model

John F. Gunion, ~Belikov, Alexander V.+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 19

一句话总结

本文研究了在标准假设下，Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM) 是否能够通过轻量中性ino（2–12 GeV）与较大的自旋无关散射截面解释 CoGeNT 和 DAMA 的暗物质信号。尽管满足 LEP、BaBar 和 Tevatron 的约束条件，NMSSM 在标准假设下仍无法达到所需截面的 10–20 倍，仅通过增强核子中的 s-夸克成分或提高本地暗物质密度可实现微小改善。

ABSTRACT

We assess the extent to which the NMSSM can allow for light dark matter in the $2\gev\lsim \mcnone\lsim 12\gev$ mass range with correct relic density and large spin-independent direct-detection cross section, $\sigsi$, in the range suggested by \cogent\ and DAMA. For standard assumptions regarding nucleon $s$-quark content and cosmological relic density, $ρ$, we find that the NMSSM falls short by a factor of about 10 to 15 (3 to 5) without (with) significant violation of the current $(g-2)_μ$ constraints.

研究动机与目标

• 评估 NMSSM 是否能在 2–12 GeV 范围内产生轻量中性ino 暗物质候选者，并具备足够大的自旋无关散射截面（σSI），以匹配 CoGeNT 和 DAMA 的观测结果。
• 确定 NMSSM 是否能同时满足宇宙学剩余密度约束、LEP 和 BaBar 对 B 物理的限制，以及 (g-2)μ 异常。
• 评估 NMSSM 是否能在不违反对撞机或味物理约束的前提下实现所需 σSI，特别是考虑到 Tevatron 对 Higgs 和顶夸克衰变的测量结果。
• 探讨核子中 s-夸克成分增强或本地暗物质密度提高对降低所需 σSI 的影响。
• 将 NMSSM 的可行性与更一般的单态扩展 MSSM 模型进行比较，后者在相同约束下可实现更大的 σSI 值。

提出的方法

• 采用参数扫描方法对 NMSSM 进行分析，结合理论约束（LEP、BaBar、Tevatron）与现象学限制（剩余密度、(g-2)μ）。
• 通过中性ino 与核子之间通过 Higgs 交换（特别是最轻的 CP 偶 Higgs h₁）的费曼图，利用有效耦合 h₁χ̃₁χ̃₁ 计算 σSI。
• 使用 micrOMEGAs 进行剩余密度计算，以确保预测的暗物质密度与观测到的 ΩCDM ≈ 0.3 GeV/cm³ 一致。
• 通过选择模型中带电粒子和中性ino 的单圈贡献，计算缪子反常磁矩以评估 (g-2)μ 偏差。
• 通过专门的味物理约束和 BaBar 对稀有 B 衰变的测量数据，纳入对 b→sγ 和 Bs→μ⁺μ⁻ 衰变的限制。
• 评估 Tevatron 对 t→h⁺b 和 b̄b+Higgs 产生过程的数据，以约束 Higgs sector 和混合角。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准假设下，NMSSM 是否能产生足够大的自旋无关中性ino-核子散射截面，以解释 2–12 GeV 范围内的 CoGeNT 和 DAMA 信号？
• RQ2 LEP、BaBar 和 Tevatron 约束在多大程度上限制了轻量中性ino 暗物质在 NMSSM 中可实现的 σSI？
• RQ3 μeff > 0 和 μeff < 0 情况下，(g-2)μ 异常如何影响具有大 σSI 的 NMSSM 情景的可行性？
• RQ4 核子中 s-夸克成分的增强或本地暗物质密度的提高是否能将所需 σSI 降低至 NMSSM 可实现的水平？
• RQ5 与更一般的单态扩展模型相比，结果如何？额外的超势能或软性破缺项在放松约束方面起到什么作用？

主要发现

• 在标准假设下，NMSSM 无法实现轻量中性ino 暗物质（2–12 GeV）所需的自旋无关截面（σSI ≈ 1.4–3.5×10⁻⁴ pb），原因在于核子中 s-夸克成分和宇宙学剩余密度的假设。
• 对于 μeff > 0 情况，应用 Tevatron 约束后，最大可实现的 σSI 限制在约 0.14×10⁻⁴ pb，仍比所需值低 10–20 倍。
• 对于 μeff < 0 情况，σSI 最高可达 0.6×10⁻⁴ pb——接近所需范围的 3–5 倍——但这些情景预测的 muon (g-2)μ 值与实验严重不符。
• 即使 s-夸克成分提高 50%，且本地暗物质密度提升至 ρ ≈ 0.4–0.485 GeV/cm³，所需 σSI 仍至少比 NMSSM 可实现的最大值大 5 倍。
• Tevatron 对 b̄b+Higgs 和 t→h⁺b 衰变的约束具有高度相关性，并显著限制了大 σSI 的可行参数空间。
• 结果表明，只有通过引入额外的超势能或软性破缺项的 NMSSM 扩展，才可能在满足所有约束的前提下实现所需 σSI，如附带研究（Belikov:2010yi）所示。