[论文解读] Muon $g-2$ and Co-annihilating Dark Matter in the MSSM

Peter Cox, Chengcheng Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 29被引用 14

一句话总结

该论文表明，最小超对称标准模型（MSSM）可通过选择量子数为奇的LSP与轻子超伴子或轻量级Wino的共湮灭过程，同时解释μ子反常磁矩（$g-2$）观测到的4.2σ偏差以及正确的暗物质遗迹丰度。具有非简并轻子质量的双希格斯粒子-Wino共湮灭场景在当前实验下仍可行且未受约束，其关键参数区域可通过下一代直接探测实验（如LZ）进行检验。

ABSTRACT

We demonstrate that the recent measurement of the anomalous magnetic moment of the muon and dark matter can be simultaneously explained within the Minimal Supersymmetric Standard Model. Dark matter is a mostly-bino state, with the relic abundance obtained via co-annihilations with either the sleptons or wino. The most interesting regions of parameter space will be tested by the next generation of dark matter direct detection experiments.

研究动机与目标

• 在MSSM框架内，同时调和μ子反常磁矩（$a_\mu$）观测到的4.2σ偏差与观测到的暗物质遗迹丰度。
• 探索双希格斯粒子-stau和双希格斯粒子-Wino等共湮灭机制的可行性，以同时满足$a_\mu$和暗物质约束条件。
• 识别模型避开当前对撞机与直接探测限制但仍可被未来实验检验的参数区域。
• 评估非简并轻子质量在缓解LHC轻子超伴子搜寻约束与真空稳定性约束方面的作用。

提出的方法

• 分析使用SuSpect-2.52生成谱，利用MicrOMEGAs-5.2.7计算遗迹丰度、自旋无关暗物质-核子散射截面，以及$a_\mu$的单圈与主导二圈修正贡献。
• 顶夸克超伴子、胶球超伴子和希格斯玻色子在约3 TeV处被解耦，通过设定$A_t = 5$ TeV以实现125 GeV的希格斯质量。
• 三线耦合$A_t$固定为5 TeV，其余所有$A$-项被忽略；假设左旋与右旋轻子质量相等。
• 分析假设$\text{sgn}(M_1 M_2 \mu) > 0$，以确保$a_\mu$贡献具有正确符号。
• 对于双希格斯粒子-stau共湮灭，固定$M_2 = 1$ TeV，扫描$M_1$以实现正确的遗迹丰度。
• 对于双希格斯粒子-Wino共湮灭，通过调节$M_1$使遗迹丰度匹配，$M_2$与$\mu$作为自由参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 MSSM能否通过共湮灭过程同时解释观测到的$a_\mu$偏差与正确的暗物质遗迹丰度？
• RQ2 LHC轻子超伴子搜寻与XENON1T直接探测结果对双希格斯粒子-stau与双希格斯粒子-Wino共湮灭场景的可行参数区域有何限制？
• RQ3 在双希格斯粒子-stau共湮灭模型中，$\tan\beta$在缓解对撞机约束并实现可行的$a_\mu$贡献方面起何作用？
• RQ4 与简并质量情况相比，非简并轻子质量如何影响双希格斯粒子-Wino共湮灭场景的可行性？
• RQ5 哪些参数空间区域目前未受实验约束，且可被LZ等未来直接探测实验检验？

主要发现

• 具有简并轻子质量的双希格斯粒子-stau共湮灭场景受到LHC轻子超伴子搜寻与真空稳定性约束的强烈限制，尤其在高$\tan\beta$区域，仅在接近LEP限制的极小区域仍可行。
• 在$\tan\beta = 20$时，双希格斯粒子-stau共湮灭区域若与$a_\mu$实现1σ一致，则可避开LHC约束，但要求超tau子质量极轻，即$m_{\tilde{\tau}_1} \lesssim 100$ GeV。
• 具有非简并轻子质量的双希格斯粒子-Wino共湮灭场景允许大范围参数空间，可同时解释$a_\mu$与遗迹丰度，且目前无LHC或直接探测约束。
• 当$\mu \lesssim 1.5$ TeV时，双希格斯粒子-Wino模型中$g-2$最佳拟合区域可被下一代直接探测实验（如LZ）探测到。
• 当$\mu \gtrsim 1.5$ TeV且$m_{\tilde{\ell}} \gtrsim 1$ TeV时，该区域仍可解释$a_\mu$，其机制源于smuon圈修正，但超出LZ的直接探测能力。
• 完全压缩区域（$M_1 \approx M_2 \approx m_{\tilde{\ell}}$）且$\mu$值较高时，目前未受对撞机与直接探测实验约束，是未来搜索的优先目标。