[论文解读] Neutralino Proton Cross Sections For Dark Matter In SUGRA And D-BRANE Models

R. Arnowitt, Bhaskar Dutta+1 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文计算了在mSUGRA、非幺模SUGRA和D-brane模型中中性子-质子自旋无关截面，以评估直接暗物质实验的可探测性。结果表明，非幺模模型可在低tan β（≥4）时实现大截面，而mSUGRA则需tan β ≥25；CP破坏相位会使截面降低2–3倍，且需显著的微调。

ABSTRACT

Neutralino proton cross sections are examined for models with R-parity invariance with universal soft breaking (mSUGRA) models, nonuniversal SUGRA models, and D-brane models. The region of parameter space where current dark matter detectors are sensitive, i.e. $1 imes 10^{-6}$ pb, is examined. For mSUGRA models, detectors are sampling parts of the parametr space for tan$β>\sim 25$. The nonuniversal models can achieve cross sections that are a factor of 10-100 bigger or smaller then the universal one and in the former case sample regions tan$β>\sim 4$. The D-brane models considered require tan$β>\sim 15$. The inclusion of CP violating phases reduces the cross section by a factor of $\sim$ 2-3 (but also requires considerable fine tuning at the GUT scale). The expected particle spectra at accelerators are examined and seen to differ for each model. Three new regions of possible coannihilation are noted.

研究动机与目标

• 确定在直接暗物质探测器灵敏度达到1×10⁻⁶ pb时，超对称参数空间的可探测范围。
• 比较mSUGRA、非幺模SUGRA和D-brane模型中自旋无关中性子-质子截面的差异。
• 评估CP破坏相位对截面及宇宙学约束的影响。
• 识别可能影响遗迹密度和可探测性的新共湮灭通道。

提出的方法

• 从GUT尺度（2×10¹⁶ GeV）到顶夸克质量（175 GeV）使用完整的单圈跑动方程（RGEs），通过迭代获得一致的质量谱。
• 在超费米子质量矩阵中包含L-R混合，加入Higgs和底夸克质量的单圈修正，以及QCD RGE修正以提高精度。
• 对b→sγ衰变率应用领先阶及近似下一阶修正。
• 施加实验约束：m_χ±₁ > 94 GeV，m_h > 95 GeV，且B(B→Xₛγ) ∈ [1.8–4.5]×10⁻⁴。
• 使用σ_πN = 65 MeV和σ₀ = 30 MeV提取质子散射截面，夸克质量比r = 24.4 ± 1.5。
• 将遗迹密度Ω_χ⁰₁h²评估在0.02至0.25之间，以符合宇宙学观测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在mSUGRA、非幺模SUGRA和D-brane模型中，超对称参数的哪些范围可产生当前实验可探测的中性子-质子截面（≥1×10⁻⁶ pb）？
• RQ2 CP破坏相位如何影响自旋无关中性子-质子截面？需要何种微调？
• RQ3 在哪些模型中可在低tan β下实现大截面？其对应的Higgs和超夸克质量结构如何？
• RQ4 在非幺模模型中，哪些新共湮灭通道出现，可能改变遗迹密度和截面预测？

主要发现

• 在mSUGRA模型中，当前探测器仅对tan β ≥ 25敏感，截面在轻中性子（m_χ⁰₁ ≤ 120 GeV）和中等超夸克质量（m_d̃ ≈ 400–700 GeV）时达到峰值。
• 非幺模SUGRA模型可使截面增强或抑制达10–100倍；在tan β ≥ 4时可实现大截面，对应较重的超夸克（m_d̃ ≈ 600–1200 GeV）和较轻的Higgs（m_h ≈ 100–110 GeV）。
• D-brane模型需tan β ≥ 15才能实现可探测截面，且CP破坏相位使σ_χ⁰₁−p降低2–3倍，需在GUT尺度对μ相位进行精细调谐。
• 识别出三个新的共湮灭区域：在大tan β时，mSUGRA中χ̃±₁–χ̃⁰₁简并；在非幺模SUGRA中δ₅ < 0时，τ̃_R–χ̃⁰₁简并；在D-brane模型中，当Θ₁（≈0.8）较大时，χ̃±₁–χ̃⁰₁简并。
• 在低tan β和高超夸克质量下，非幺模模型中大截面有助于调和可探测截面与低质子衰变速率之间的矛盾。
• 在m₀和m₁/₂较高的区域，共湮灭效应预计会抑制截面，但本文聚焦于最大理论截面以评估可探测性。