[论文解读] Improved $(g-2)_\mu$ Measurement and Singlino dark matter in the general NMSSM

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

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 8

一句话总结

本文提出，在一般NMSSM（GNMSSM）中，由单态子主导的中性子可作为可行的暗物质候选者，同时解释费米实验室观测到的4.2σ的μ子反常磁矩差异。通过一个涉及单态主导希格斯玻色子和一个Yukawa耦合κ的隐蔽扇区，暗物质丰度得以实现，且强子散射被抑制，要求单态子质量大于约150 GeV，同时该模型与LHC和希格斯玻色子数据保持一致。

ABSTRACT

Very recently, a Fermilab report of muon $(g-2)$ shows a $4.2\sigma$ discrepancy between it and the standard model 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 dark matter (DM) candidate. In this case, singlino DM and singlet-dominated Higgs bosons can form a secluded DM sector with $ ilde{\chi}_1^0 ilde{\chi}_1^0 o h_s A_s$ responsible for the measured abundance by an appropriate Yukawa coupling $\kappa$. This sector communicates with the standard model sector by weak singlet-doublet Higgs mixing, so the scatterings of the singlino-dominated DM with nucleons are suppressed. It is found that the DM must be heavier than approximately $150~{ m GeV}$ to achieve the measured relic density. Compared with the minimal supersymmetric standard model, due to the singlet nature of the DM and the complex mass hierarchy, sparticle decay chains in the GNMSSM are lengthened. These characteristics lead to sparticle detection capability at the Large Hadron Collider (LHC) being rather tricky. This study shows that the theory can readily explain the discrepancy of the muon anomalous magnetic moment without conflicting with the DM, Higgs experimental results, and LHC searches.

研究动机与目标

• 解决费米实验室观测到的μ子反常磁矩（g-2）μ中4.2σ的差异。
• 探讨在一般NMSSM中，由单态子主导的中性子是否可作为可行的暗物质候选者。
• 确保与LHC、希格斯玻色子测量以及直接暗物质探测实验约束的一致性。
• 研究隐蔽暗物质扇区如何通过希格斯混合与标准模型相互作用。

提出的方法

• 在GNMSSM中引入一个由单态子主导的中性子和单态主导的希格斯玻色子（hs, As）组成的隐蔽暗物质扇区。
• 引入一个Yukawa耦合κ，以实现过程 $\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$，从而生成正确的丰度。
• 利用弱单态-双态希格斯混合，介导隐蔽扇区与标准模型扇区之间的相互作用。
• 分析由于复杂的质量谱结构和暗物质的单态性质而延长的超粒子衰变链。
• 在强子散射被隐蔽扇区结构抑制的约束下，执行丰度计算。
• 通过分析超粒子产生和衰变模式，评估与LHC搜索和希格斯玻色子数据的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GNMSSM中，由单态子主导的中性子能否同时解释观测到的μ子（g-2）μ差异，并作为可行的暗物质候选者？
• RQ2 涉及 $h_s$ 和 $A_s$ 的隐蔽暗物质扇区如何通过 $\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 过程贡献于正确的丰度？
• RQ3 该模型中，强子散射的抑制对单态子质量施加了何种约束？
• RQ4 暗物质的复杂质量谱结构和单态性质如何影响LHC中超粒子衰变链？
• RQ5 该模型是否与现有的LHC搜索、希格斯玻色子测量以及暗物质丰度约束一致？

主要发现

• 单态子暗物质必须重于约150 GeV，才能通过 $\tilde{\chi}_1^0 \tilde{\chi}_1^0 \to h_s A_s$ 过程实现观测到的丰度。
• 该模型成功解释了μ子反常磁矩中4.2σ的差异，且不与暗物质或希格斯数据冲突。
• 由于暗物质扇区的隐蔽性，强子散射截面被抑制，从而减轻了直接探测的约束。
• 复杂的质量谱结构和单态性质导致超粒子衰变链变长，使LHC探测更具挑战性。
• 由于单态与双态希格斯态之间的弱混合，该模型与LHC搜索和希格斯玻色子测量保持一致。
• 在隐蔽扇区中引入Yukawa耦合κ，可在保持与所有现有实验约束兼容的同时，实现正确的丰度。