[论文解读] Complementarity and Searches for Dark Matter in the pMSSM

M. Cahill-Rowley, Randel Cotta+6 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 26

一句话总结

本文在19个参数的唯象MSSM（pMSSM）框架下评估了对撞机、直接和间接暗物质探测之间的互补性，表明结合LHC、Fermi、CTA、IceCube、COUPP和XENON1T实验可排除97.4%的中性子暗物质模型，尤其强调了14 TeV LHC Jets+MET搜索在提升探测能力方面的显著效果，以及CTA对超出LHC动力学极限的重、热原初LSP的独特敏感性。

ABSTRACT

The search for and identification of neutralino dark matter in supersymmetry requires a multi-pronged approach with important roles played by collider, direct and indirect dark matter detection experiments. In this report, we summarize the sensitivity of such searches at the 7, 8 (and eventually 14) TeV LHC, combined with those by Fermi, CTA, IceCube/DeepCore, COUPP and XENON1T, to such particles within the context of the 19-parameter p(henomenological)MSSM. This report provides an outline of the current status of our results and our expectations for future analyses.

研究动机与目标

• 评估对撞机、直接和间接暗物质探测实验在探测19个参数pMSSM中的互补性。
• 评估7、8和14 TeV LHC探测（尤其是Jets+MET）在排除具有中性子LSP的pMSSM模型方面的敏感性。
• 确定直接探测（XENON1T、COUPP）和间接探测（Fermi、CTA、IceCube/DeepCore）在多大程度上探测到LHC无法触及的参数空间区域。
• 量化与观测到的希格斯玻色子质量（126 GeV）、热原初密度和低微调度一致的pMSSM模型比例，并评估其可探测性。
• 识别LHC Jets+MET探测在排除具有重LSP的模型中的作用，其机制基于非暗物质信号，且不依赖于直接LSP耦合。

提出的方法

• 本研究通过SOFTSUSY生成22.5万个具有中性子LSP的pMSSM模型，并使用SuSpect进行验证，参数范围受到约束。
• 模型受到来自LHC、味物理、精确电弱以及暗物质数据的严格约束，包括原初密度、微调度以及直接/间接探测限制。
• 利用修改版SUSY-HIT计算超对称粒子的衰变模式和希格斯 sector 性质，以确定各实验可探测的信号。
• 在LSP质量与自旋无关（SI）截面平面中，比较14 TeV LHC Jets+MET、CTA、Fermi、XENON1T、COUPP以及IceCube/DeepCore的排除比例。
• 使用约10,000个“自然”模型的子集（满足m_h = 126±3 GeV，Ω_χh² ≈ Ω_DM，微调度<1%）来评估结果的稳健性。
• 在参数空间中计算排除比例，通过模型计数和关键平面中的分箱处理统计不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 14 TeV LHC Jets+MET探测在多大程度上排除了超出8 TeV数据探测能力的重中性子LSP的pMSSM模型？
• RQ2 CTA与LHC在探测pMSSM参数空间时的敏感性如何重叠或互补？
• RQ3 在综合所有实验约束后，具有热原初密度和正确希格斯质量的pMSSM模型中，有多少比例仍保持可接受？
• RQ4 在参数空间的哪些区域，直接探测实验（如XENON1T）比LHC更敏感，反之亦然？
• RQ5 与8 TeV数据相比，引入14 TeV LHC数据如何提升整体排除能力？

主要发现

• 14 TeV LHC Jets+MET探测显著提升了对中性子LSP的探测能力，将动力学截止质量从约700 GeV提高到约1,400 GeV。
• LHC、CTA与直接探测实验联合探测能力可排除97.4%的具有中性子LSP的pMSSM模型，远高于仅使用8 TeV数据时的63%。
• CTA对超出LHC探测能力的LSP质量范围仍保持敏感，尤其对具有热原初密度的wino和Higgsino LSP，即使有色超对称粒子过重而无法产生。
• LHC主要通过涉及有色超对称粒子的信号排除具有重LSP的模型，而非直接产生LSP，凸显其对整个谱系的依赖性。
• 在LHC未探测到的模型中，间接探测（如CTA）所排除的比例从41%上升至49%，这是由于未被探测到的模型质量更高。
• 在所有探测中幸存且满足热原初密度的模型，其LSP均为（共）湮灭的bino型，表明对暗物质组分施加了强烈约束。