[论文解读] Gravitino Dark Matter with Stop as the NLSP

Yudi Santoso|ArXiv.org|Sep 25, 2007

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文研究了在超对称模型中以停止夸克为次轻量级超对称粒子（NLSP）的引力微子暗物质，提出了一种通过截断于普朗克尺度的相互作用而抑制衰变的稳定停止强子的可行情景。停止NLSP通过两体或三体衰变模式衰变为引力微子和顶夸克，其寿命可达10^15秒，从而在对撞机和宇宙学中产生可观测信号，同时满足大爆炸核合成（BBN）的约束条件。

ABSTRACT

Gravitino is one feasible candidate for the dark matter in supergravity models. With its couplings being suppressed by the Plank mass, gravitino interacts very weakly with other particles, making its direct detection, or production at colliders practically impossible. The signatures of this scenario mainly arise from the next lightest supersymmetric particle (NLSP) which is metastable due to the very weak coupling. There are many possibilities for the NLSP, and here I will review the feasibility of stop particle as the NLSP and discuss its phenomenology.

研究动机与目标

• 探讨在具有引力微子暗物质的超重力模型中，停止夸克作为NLSP的可行性。
• 分析亚稳态停止强子的理论现象学，包括其衰变模式及宇宙学影响。
• 评估停止NLSP情景与大爆炸核合成（BBN）约束及对撞机限制的相容性。
• 识别可行的超对称模型——特别是NUHM和非统一希金斯质量模型——其中停止可轻于中性子，同时满足质量与希格斯玻色子的约束。

提出的方法

• 在左右基下推导停止质量矩阵，包含来自三线A项的混合项以及通过μ和tanβ的希格斯ino混合。
• 利用受普朗克尺度抑制的相对论性相空间公式，计算停止NLSP衰变为引力微子和顶夸克的两体衰变宽度。
• 使用相空间近似计算衰变为引力微子、W玻色子和底夸克的三体衰变宽度，并对动力学阈值进行修正。
• 估算停止NLSP的寿命作为质量差与引力微子质量的函数，显示当质量差较小时，寿命可达10^15秒。
• 对亚稳态停止粒子的强子化过程进行建模，形成停止介子和强子，包括与核子的电荷交换和强子交换。
• 在NUHM参数空间中进行数值扫描，以识别停止为NLSP且满足希格斯玻色子质量与停止质量约束的区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 停止夸克能否在引力微子作为LSP的可行暗物质情景中作为NLSP？
• RQ2 停止NLSP的主要衰变模式是什么？其寿命如何依赖于与引力微子的质量差？
• RQ3 亚稳态停止强子如何影响大爆炸核合成？它们施加了哪些约束？
• RQ4 停止NLSP情景在CMSSM中是否可行？若不可行，可在哪些替代SUSY模型中实现？
• RQ5 长寿命停止强子的可探测对撞机信号是什么？现有数据可设定哪些质量限制？

主要发现

• 当质量差低于W + b阈值时，停止NLSP的寿命可达10^15秒，从而可产生可观测的强子信号。
• 当质量差低于m_W + m_b时，三体衰变模式占主导，对于较小的质量差，寿命可延长至约10^15秒。
• 对于较大的质量差，两体衰变模式占主导，寿命可达约10^9秒，具体取决于引力微子质量。
• 在CMSSM中，由于希格斯玻色子质量下限、停止质量限制与NLSP条件之间的矛盾，停止NLSP情景被排除。
• 在NUHM模型中存在一个较小的可行区域，停止质量大于220 GeV，但若将限制提高至250 GeV，该区域几乎被排除。
• 具有轻量胶子或重量Bino的非统一希金斯质量模型可稳定停止作为NLSP，同时满足所有现象学约束。