[论文解读] Light Neutralino Dark Matter in the pMSSM: Implications of LEP, LHC and Dark Matter Searches on SUSY Particle Spectra

B. Bilki, M. Battaglia+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 89被引用 34

一句话总结

本研究在具有19个自由参数的唯象MSSM（pMSSM）框架下，调查了轻量中性ino暗物质的场景，通过高统计量扫描，识别出与LEP、LHC、直接/间接暗物质探测以及味物理约束相容的可行模型。主要发现是，当所有约束条件均被应用时，只有当轻量标量底夸克（\tilde{b}_1）作为次轻量超对称粒子（NLSP）且其质量与轻量中性ino（\tilde{\chi}^0_1）近乎简并时，相关场景才保持可行，从而可实现与DAMA、CoGENT和CRESST信号一致的大自旋无关散射截面。

ABSTRACT

We investigate the viability of light neutralino scenarios as promoted by dark matter direct detection experiments. Using high statistics scans in the pMSSM we have identified several scenarios which give rise to very light neutralinos with large direct detection scattering cross sections. Our results are challenged with constraints from dark matter relic density, direct detection, indirect detection, as well as flavour physics, electroweak precision tests, LEP and Tevatron limits, LHC limits on SUSY, Higgs and monojet searches. In particular we study the effect of a Higgs boson in the range 122.5 < Mh < 127.5 GeV. We show that several scenarios emerge in agreement with all the constraints, and we study their characteristics and the LHC sensitivity.

研究动机与目标

• 评估在DAMA、CoGENT和CRESST等直接探测实验存在矛盾信号的背景下，轻量中性ino暗物质（5–40 GeV）在pMSSM框架下的可行性。
• 识别出在pMSSM参数空间中具有轻量中性ino且满足所有当前实验约束（包括遗迹密度、味物理、电弱精确测试以及LHC搜索）的参数点。
• 探讨近期测得的希格斯玻色子质量（122.5–127.5 GeV）对轻量中性ino场景可行性的影。
• 评估LHC对这些轻量中性ino场景的探测灵敏度，特别是对压缩SUSY谱（LSP与NLSP之间质量分裂极小）情况的探测能力。

提出的方法

• 在19个参数的pMSSM中进行高统计量扫描（>500 million点），以探索超越CMSSM等约束模型的广泛SUSY参数空间。
• 应用来自LEP和LEP-2的严格约束，包括选择道/中性ino对产生，以及LHC对SUSY、希格斯粒子和单喷注搜索的限制。
• 使用经过完整探测器模拟验证的快速模拟方法，对LHC响应进行建模，尤其关注8 TeV下的MET基SUSY搜索。
• 聚焦于具有轻量中性ino和大直接探测截面的场景，同时确保与WMAP遗迹密度和Fermi-LAT间接探测限制一致。
• 分析缺失横向动量（MET）和喷注横向动量（pT）的运动学分布，以评估MET基SUSY搜索的触发和选择效率。
• 测试放宽WMAP遗迹密度约束的影响，以探索超越主导的\tilde{b}_1 NLSP类别的其他可行场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 在面对所有当前实验约束（包括LHC和LEP限制）时，pMSSM中5–40 GeV的轻量中性ino暗物质场景是否仍保持可行？
• RQ2 假设轻量中性ino为暗物质候选者，哪些特定SUSY粒子谱与DAMA、CoGENT和CRESST报告的直接探测信号相容？
• RQ3 测得的希格斯玻色子质量（122.5–127.5 GeV）如何影响pMSSM中轻量中性ino场景的可行性？
• RQ4 LHC对轻量中性ino场景的探测灵敏度如何，特别是在压缩谱和LSP与NLSP之间质量分裂较小时？
• RQ5 当放宽遗迹密度约束时，是否存在超越\tilde{b}_1 NLSP类别的可行场景？

主要发现

• 唯一与所有约束条件（LEP、LHC、遗迹密度、味物理和间接探测）相容的场景是：最轻的标量底夸克（\tilde{b}_1）与最轻的中性ino（\tilde{\chi}^0_1）质量近乎简并，从而导致大的自旋无关散射截面。
• 该\tilde{b}_1 NLSP场景在8 TeV下的产生截面约为0.6 μb，事件主要由小横向能量主导，使得使用标准MET基搜索难以触发。
• 若将MET和喷注pT的截断值分别从130 GeV降低至75和50 GeV，选择效率可分别提升至0.003和0.012，表明通过修改分析策略可能实现探测。
• 仅当放宽WMAP遗迹密度约束时，选择道或轻子NLSP的场景才变得可行，表明其对宇宙学约束具有强依赖性。
• 本研究识别出pMSSM中相当一部分参数点的截面接近当前CDMS和XENON的限制，表明此类轻量中性ino模型并未被直接探测限制排除。
• 分析证实，LHC的标准MET基搜索对这些压缩、低动量末态并不优化，凸显了当前SUSY搜索策略中可能存在的盲区。