[论文解读] Improved $(g-2)_μ$ measurement and singlino dark matter in $μ$-term extended $\mathbb{Z}_3$-NMSSM

Junjie Cao, Jingwei Lian+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

该论文提出了一种在 $\mu$-项扩展的 $Χ_3$-NMSSM 模型中，同时解释 muon 异常磁矩 $(g-2)_\mu$ 的 4.2\sigma 偏差，并提供一种可行的单态子主导的暗物质候选者。该模型通过在隐蔽的暗区实现高效的 $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 粲灭过程，实现了这一目标，其中 $m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$ 且 $\kappa \sim 0.2$，同时由于长超粒子衰变链的存在，抑制了核子散射并避开了 LHC 的约束。

ABSTRACT

Very recently, a Fermilab report of muon $g-2$ showed a $4.2σ$ discrepancy between it and the standard model (SM) prediction. Motivated by this inspiring result and the increasing tension in supersymmetric interpretation of the anomalous magnetic moment, it is argued that in the general next-to-minimal supersymmetric standard model (GNMSSM), a singlino-dominated neutralino can act as a feasible dark matter (DM) candidate in explaining the discrepancy naturally. In this case, the singlino-dominated DM and singlet-dominated Higgs bosons can form a secluded DM sector with $ ildeχ_1^0 ildeχ_1^0 o h_s A_s$ responsible for the measured DM relic abundance. when $m_{ ildeχ_1^0} \gtrsim 150~{ m GeV}$ and the Yukawa coupling $κ$ is around $0.2$. This sector communicates with the SM sector by weak singlet-doublet Higgs mixing, so the scatterings of the singlino-dominated DM with nucleons are suppressed. Furthermore, due to the singlet nature of the DM and the complex mass hierarchy, sparticle decay chains in the GNMSSM are lengthened in comparison with the prediction of the minimal supersymmetric standard model. These characteristics lead to sparticle detection at the Large Hadron Collider (LHC) being rather tricky. This study surveys a specific scenario of the GNMSSM, which extends the $\mathbb{Z}_3$-NMSSM by adding an explicit $μ$-term, to reveal the features. It indicates that the theory can readily explain the discrepancy of the muon anomalous magnetic moment without conflicting with the experimental results in DM and Higgs physics, and the LHC searches for sparticles.

研究动机与目标

• 解决标准模型之外 muon 异常磁矩 $(g-2)_\mu$ 的持续 4.2\sigma 偏差。
• 探索与遗迹密度、直接探测和 LHC 约束一致的 GNMSSM 中可行的暗物质情景。
• 研究单态子主导的中性子是否能自然解释 $\Delta a_\mu$ 而不与实验数据冲突。
• 分析在 $\mathbb{Z}_3$-NMSSM 中显式加入 $\mu$-项如何改变超粒子现象学，并改善与 $(g-2)_\mu$ 和暗物质约束的兼容性。

提出的方法

• 该研究采用在显式 $\mu$-项扩展的 GNMSSM 的特定情景，称为 $\mu$ NMSSM，以分析 $\Delta a_\mu$、暗物质遗迹密度和 LHC 约束之间的相互作用。
• 使用蒙特卡洛模拟来解释 LHC Run-II 中对超对称性的搜索，重点分析 ATLAS 和 CMS 的简化模型拓扑结构。
• 该模型依赖于一个隐蔽的暗区，其中 $\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 粳灭过程在 $m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$ 时自然产生正确的遗迹密度。
• 通过 SModelS 1.2.3 应用理论约束，重新解释 LHC 搜索结果，使用各种末态的截面上限和效率图。
• 分析包括自旋无关和自旋相关的直接探测约束，以及 Higgs 玻色子耦合测量，以检验模型的可行性。
• 识别出 Yukawa 耦合 $\kappa \sim 0.2$ 是实现正确暗物质遗迹密度和 $\Delta a_\mu$ 的关键。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\mu$ NMSSM 情景下，单态子主导的中性子能否同时解释观测到的 $(g-2)_\mu$ 偏差并满足暗物质遗迹密度约束？
• RQ2 在 $\mathbb{Z}_3$-NMSSM 中加入显式 $\mu$-项如何影响最轻中性子作为暗物质候选者的现象学？
• RQ3 LHC 对超对称粒子的搜索在 $\Delta a_\mu$ 背景下，对 $\mu$ NMSSM 参数空间的约束程度如何？
• RQ4 隐蔽的 $h_s A_s$ 粳灭通道在不触发直接探测信号的情况下，如何实现正确的暗物质遗迹密度？
• RQ5 该模型中抑制的耦合和长超粒子衰变链如何影响 LHC 对超对称粒子的可探测性？

主要发现

• $\mu$ NMSSM 模型成功解释了 $(g-2)_\mu$ 的 4.2\sigma 偏差，且不与测量的暗物质遗迹密度冲突。
• 当 $m_{\tilde{\chi}_1^0} \gtrsim 150~{\rm GeV}$ 且 $\kappa \sim 0.2$ 时，$\tilde{\chi}_1^0\tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 粰灭通道在隐蔽暗区中自然产生正确的遗迹密度。
• 由于暗物质的单态性质和复杂的质量层次，核子散射截面被抑制，从而避开了直接探测约束。
• 该模型由于复杂的质量层次而具有长超粒子衰变链，使得在 LHC 上探测超对称粒子显著更具挑战性。
• 在此情景下，LHC 约束得到放松，因为通过 SModelS 的简化模型解释表明，该模型在当前实验限制下仍然可行。
• 该模型与 Higgs 玻色子测量保持一致，未引入与现有 Higgs 物理数据的矛盾。