[论文解读] Dark Matter Detection Rates In SUGRA Models

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta|ArXiv.org|Dec 11, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了在R-宇称守恒SUGRA模型中暗物质直接探测的散射率，重点关注中性子-质子散射。结果表明，最小mSUGRA模型由于截面过低，无法解释DAMA实验数据；但具有增强的Higgs和第三代规范对称性破缺项的非幺正SUGRA模型，可在tanβ > 15且mχ̃₀₁ > 80 GeV条件下实现与DAMA观测值相当的截面，若μ子g-2异常被证实，未来探测器有望探测到整个可行参数空间。

ABSTRACT

Direct detection of Milky Way wimps are discussed within the framework of R-parity conserving SUGRA models with grand unification at M_G. Two questions are discussed: what SUGRA models can account for the DAMA data if this data is confirmed, and is the full SUGRA parameter space accessible to future planned detectors. Experimental constraints of the Higgs mass bound, the b-> sγbound, relic density constraints (including all co-annihilation channels), etc. are imposed. In addition, the effect of the possible muon g - 2 anomaly are examined. For mSUGRA, we find that the Higgs mass and b o sγconstraint puts a lower bound m_{1/2} > (300 - 400) GeV (i.e. m_{ ildeχ^0_1} > (120 - 160) GeV) for anβ< 50, and thus the largest theoretical neutralino-proton cross sections still lie significantly below the DAMA 3σlower bound. (Predictions for anβ> 50 become sensitive to the precise value of m_t and m_b.) If in addition one imposes the muon anomaly constraint, μmust be positive and an upper bound of m_{1/2}< 850 GeV for anβ< 50 is obtained. More generally, if μ>0 and m_{1/2} < 1 TeV, the cross sections are >~ 10^{-10} pb, and hence this parameter space would be mostly accessible to planned high sensitivity detectors. For non-minimal SUGRA models, the cross sections can be considerably larger, and a simple SU(5) model with non-universal soft breaking in the Higgs and third generation is seen to give cross sections in the DAMA range for anβ>~ 15 with m_{ ildeχ^0_1} > 80 GeV, and minimum cross sections >~10^{-10} pb for μ> 0.

研究动机与目标

• 确定R-宇称守恒SUGRA模型是否能解释DAMA年调制信号（若其为暗物质探测结果）
• 评估未来直接探测实验能否探测到SUGRA模型的全部可行参数空间
• 评估实验约束（Higgs质量、b→sγ、遗迹密度及μ子g-2异常）对中性子探测截面的影响
• 比较最小mSUGRA与具有非幺正规范对称性破缺项的非最小SUGRA模型的预测

提出的方法

• 本研究采用在MG ≈ 2×10¹⁶ GeV处统一的R-宇称守恒SUGRA模型，使用引力介导的超对称性破缺机制
• 利用规范对称性破缺参数的跑动方程（RGEs）从MG演化至弱能标，包含量子修正及非幺正的δi参数
• 计算中性子-质子自旋无关截面的理论预测，整合了近简并湮灭通道及遗迹密度约束
• 实验约束（LEP对Higgs质量的下限，mh > 114 GeV，b→sγ分支比，遗迹密度）限制了可行参数空间
• 将μ子g-2异常作为约束条件，要求μ > 0，并对m₁/₂和tanβ施加限制
• 采用具有非幺正规范对称性破缺项的最小SU(5) GUT模型，探索增强截面的可能性

实验结果

研究问题

• RQ1 若DAMA年调制信号被证实，R-宇称守恒的mSUGRA模型能否解释该信号？
• RQ2 SUGRA模型中理论上预测的最低中性子-质子截面是多少？未来探测器能否探测到这些截面？
• RQ3 Higgs质量、b→sγ、遗迹密度及μ子g-2异常的约束如何塑造SUGRA模型的可行参数空间？
• RQ4 具有非幺正规范对称性破缺的非最小SUGRA模型能否产生与DAMA观测范围相符的截面？
• RQ5 若μ子g-2异常被证实，是否进一步限制SUGRA参数空间，并增强LSP的可探测性？

主要发现

• 在mSUGRA中，Higgs质量与b→sγ约束对m₁/₂施加了300–400 GeV的下限，导致mχ̃₀₁ > 120–160 GeV，当tanβ < 50时，中性子-质子截面显著低于DAMA的3σ下限
• 当tanβ > 50时，预测对mt与mb的精确值变得敏感，但在标准mSUGRA框架下，截面仍低于DAMA的下限
• 若μ子g-2异常被证实，则μ必须为正，且当tanβ < 50时，m₁/₂ < 850 GeV，这缩小了可行参数空间，并将最小截面提高至约10⁻¹⁰ pb
• 在mSUGRA中，若μ > 0且m₁/₂ ≤ 1 TeV，截面可超过约10⁻¹⁰ pb，使其处于计划中高灵敏度探测器的探测范围内
• 在具有非幺正规范对称性破缺项的非最小SUGRA模型中，当tanβ > 15且mχ̃₀₁ > 80 GeV时，截面可达到DAMA观测范围
• 这些非最小模型通过δi参数降低mA，实现A-通道湮灭，即使在低tanβ下也能满足遗迹密度约束