[论文解读] LHC Run-3, Dark Matter and Supersymmetric Spectra in the Supersymmetric Pati-Salam Model

Ali Muhammad, Imtiaz Khan+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2026

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一句话总结

该论文分析带有 mu 正负号的超对称Pati-Salam模型中的MSSM表象，考察LHC约束、希格斯数据与暗物质剩余密度，并确定可行的共湮灭和共振情景，且在Run-3及未来实验可达到。

ABSTRACT

Driven by the growing agreement between the experimentally measured muon anomalous magnetic moment and its SM prediction, we reexamine phenomenological consequences of the MSSM, which is embedded in the supersymmetric $SU(4)_C imes SU(2)_L imes SU(2)_R$ Pati-Salam model. In contrast to earlier studies that predominantly favored a specific sign for the Higgsino mass parameter, our analysis systematically explores both $μ> 0$, and $μ< 0$ scenarios in light of current collider, cosmological, and DM constraints. Within this framework, we identify viable parameter space regions where the observed DM relic density is reproduced through multiple mechanisms: co-annihilations involving sbottom-neutralino, gluino-neutralino, stop-neutralino, stau-neutralino, and chargino-neutralino coannihilation, as well as resonant s-annihilation channel via the pseudoscalar Higgs boson. We demonstrate that all such scenarios are consistent with present bounds from LHC supersymmetry searches, the Planck~2018 DM relic density bound, and current limits from DD DM searches. Our results reveal characteristic mass spectra associated with these mechanisms. In particular, sbottom-neutralino coannihilation typically requires sbottom masses near $2.8~ ext{TeV}$, while gluino-neutralino and stop-neutralino coannihilation scenarios allow gluino masses in the range $1$--$3~ ext{TeV}$ and stop masses between $1$ and $3.5~ ext{TeV}$. In coannihilation-dominated regions, the stau and chargino masses may reach values as high as $3.8~ ext{TeV}$, whereas viable $A$ resonance solutions are realized for pseudoscalar Higgs masses spanning approximately $1.6$--$3.8~ ext{TeV}$. We anticipate that a portion of the parameter space will be accessible to supersymmetry searches in LHC Run-3 and future runs.

研究动机与目标

• 评估来自SUSY Pati-Salam模型且 mu 符号不同情况下的MSSM表象。
• 鉴定通过多种机制（共湮灭与A-funnel）实现正确的Planck 2018 暗物质剩余密度的参数区间。
• 确保与LHC SUSY搜索、希格斯测量、味道约束以及直接探测界限相一致。
• 强调哪些区域可以被LHC Run-3和未来直接探测实验所探索。

提出的方法

• 在 M_GUT 处定义带有 m0、mHu、mHd、A0、M2、M3、tanBeta、sign(mu) 的SUSY Pati-Salam 参数空间。
• 在 M_GUT 处强制 M1=(3/5)M2+(2/5)M3 的凝聚关系，并允许 g3 在统一值±3%范围内波动。
• 使用 Metropolis-Hastings MCMC 对 ISAJET 7.85 进行参数扫描，强制 REWSB 与中性子LSP。
• 应用实验约束：m_h 在 [122,128] GeV，粒子物质量界，B 物理观测量，以及 Planck 2018 的剩余密度在5σ内。
• 要求中性子剩余密度 Ω_CDM h^2 满足 [0.118,0.126]（Planck 2018 5σ）。
• 分析多种DM 消灭/共湮灭机制（强光子-中性子、底夸-中性子、顶夸-中性子、τ-伴-中性子、夸-中性子以及 A-funnel）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前实验约束下，SUSY Pati-Salam 参数空间哪些区域能产生正确的暗物质剩余密度？
• RQ2 共湮灭通道（强光子、底夸、顶夸、τ-伴、夸-中性子）和 A-funnel 在 mu<0 与 mu>0 情况下如何填充可行参数空间？
• RQ3 在可行情景中，关键粒子（强光子、底夸、顶夸、τ-伴、夸）质量范围预测为何？
• RQ4 LHC Run-3 及未来直接探测实验在多大程度上能探测到存活的参数空间？
• RQ5 mu 的符号如何影响表象学，包括 (g-2)_μ 的相关性和在该框架中的 bottom Yukawa 统一性？

主要发现

• 存在 sbottom-中性子共湮灭解，其剩余密度与 Planck 兼容，且在 m_sbottom1 约为 2.7–3.4 TeV 时出现。
• Gluino-中性子与 stop-中性子共湮灭允许 gluino 与 stop 的质量大致在1–3 TeV 与1–3.5 TeV 区间内。
• Stau-中性子与 chargino-中性子共湮灭在可行解中提供 NLSP 质量可达约3.5 TeV 且质量差较小。
• A-funnel（A/H 共振）解存在，m_A 约在1.6–3.7 TeV 区间，与当前约束兼容。
• mu<0 情况可实现 t-b-τ Yukawa 统一，谱较轻；mu>0 区域同样容纳多样的共湮灭与希格斯共振 DM。
• 存活参数空间的较大部分有望被 LHC Run-3 和未来直接探测实验如 XENONnT、LZ 探测到。