[论文解读] Maximum And Minimum Dark Matter Detection Cross Sections

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta+1 more|ArXiv.org|Aug 31, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了R对称性守恒的超引力模型（mSUGRA、非统一的软对称性破缺模型以及D-brane模型）中中性子-质子自旋无关散射截面的最小值与最大值，表明当前探测器已能探测到显著的SUSY参数空间区域，而未来探测器几乎可覆盖全部区域——除了胶子夸克质量大于1 TeV的区域，这些区域仍可通过LHC探测到。在μ < 0区域，由于干涉效应，最小截面可低至约10⁻¹² pb，远低于当前及计划中的探测器灵敏度。

ABSTRACT

The range of neutralino-proton cross sections for R-parity preserving supergravity models with GUT scale unification of the gauge coupling constants is examined. The models considered here are mSUGRA, models with non universal soft breaking and D-brane models. It is found that the current dark matter detectors are sampling significant parts of the SUSY parameter space and future detectors could sample almost the entire space. The special regions of parameter space that may be inaccessible to future detectors are seen to have a squark/gluino spectra beyond 1 TeV, but observable at the LHC.

研究动机与目标

• 确定R对称性守恒的超引力模型所预测的中性子-质子自旋无关截面的范围。
• 评估当前及未来直接暗物质探测器对SUSY参数空间的探测程度。
• 识别在宇宙学约束下仍可能对未来的探测器不可探测的理论参数空间区域。
• 评估理论修正（如两圈RGE、希格斯质量修正、b→sγ约束）对预测截面的影响。

提出的方法

• 利用两圈规范和一圈费米子的跑动方程（RGE）将参数从GUT尺度演化至电弱尺度。
• 理论修正包括SUSY尺度以下的QCD RGE、两圈希格斯质量计算，以及大tan β情况下的右-左混合在超费米子质量矩阵中的影响。
• 应用电子和中子电偶极矩（EDM）约束以限制参数空间，尤其针对CP破坏相位。
• 轻希格斯中性子的原初密度Ωχ̃₀₁h²被限制在0.02 ≤ Ωχ̃₀₁h² ≤ 0.25，以符合宇宙学观测。
• 使用中性子-核子散射振幅的完整一圈修正计算截面，包括Z和希格斯交换的贡献。
• 该分析应用于三种模型：具有统一软对称性破缺的mSUGRA、非统一的希格斯与第三代标量质量，以及在MG处具有非统一的规范子与标量质量的D-brane模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 mSUGRA及相关模型预测的中性子-质子自旋无关截面最小值是多少？该值是否可被未来直接探测实验探测到？
• RQ2 DAMA和CDMS等实验目前探测到的SUSY参数空间区域是哪些？不同SUGRA模型之间的探测区域如何比较？
• RQ3 理论约束（如原初密度、b→sγ衰变、电偶极矩）如何影响预测截面的范围？
• RQ4 散射振幅中的抵消效应是否可导致截面低于GENIUS或Cryoarray等计划探测器的灵敏度阈值？
• RQ5 是否存在胶子夸克质量极重（>1 TeV）的参数空间区域，其无法通过直接探测手段探测，但可在LHC上观测到？

主要发现

• 对于μ > 0的mSUGRA，当m₁/₂ ≤ 600 GeV时，最小中性子-质子截面满足σχ̃₀₁−p ≥ 1×10⁻⁹ pb，对应胶子夸克质量最高可达约1.5 TeV。
• 对于μ < 0，破坏性干涉使截面最低可降至1×10⁻¹² pb（在tan β ≈ 10且m₁/₂ = 600 GeV时），对应胶子夸克质量 >950 GeV。
• 这些低截面区域无法被GENIUS或Cryoarray等未来探测器探测到，后者目标灵敏度为10⁻⁹–10⁻¹⁰ pb。
• D-brane模型在轻希格斯中性子与轻希格斯带电粒子质量接近时表现出新的共湮灭通道，可能影响截面，但此处未完全分析。
• CP破坏相位使截面降低2–3倍，但除非tan β ≤ 3–5，否则不被偏好，因此对最小截面的影响有限。
• 将m₁/₂提高至1 TeV会使最小截面降低2–3倍，而使用更低的σπN值（45 MeV而非65 MeV）可使截面进一步降低3倍。