[论文解读] NMSSM neutralino dark matter for CDF II $W$-boson mass and muon $g-2$ and the promising prospect of direct detection

Tian-Peng Tang, Murat Abdughani+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文提出，在下一个最小超对称标准模型（NMSSM）中，类双线型中性子暗物质可通过轻量电弱ino和轻子态同时解释CDF II W玻色子质量异常与μ子g-2偏差。所青睐的暗物质质量范围为180–280 GeV，该范围处于PandaX-4T、XENONnT、LZ和DARWIN等正在进行的直接探测实验的探测能力范围内。

ABSTRACT

Two experiments from the Fermilab, E989 and CDF II, have reported two anomalies for muon $g-2$ and $W$-boson mass that may indicate the new physics at the low energy scale. Here we examine the possibility of a common origin of these two anomalies in the Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model. Considering various experimental and astrophysical constraints such as the Higgs mass, collider data, flavor physics, dark matter relic density, and direct detection experiments, we find that lighter electroweakinos and sleptons can generate sufficient contributions to muon $g-2$ and $m_W$. Moreover, the corresponding bino-like neutralino dark matter mass is in the $\sim 180-280$ GeV range. Interestingly, the favored DM mass region can soon be entirely probed by ongoing direct detection experiments like PandaX-4T, XENONnT, LUX-ZEPLIN, and DARWIN.

研究动机与目标

• 在NMSSM框架内探索对CDF II W玻色子质量与μ子g-2异常的共同解释。
• 识别出轻量电弱ino与轻子态可对两个可观测量产生足够圈修正的可行参数区域。
• 确保与暗物质的宇宙学、对撞机、味物理及直接探测约束的一致性。
• 评估未来直接探测实验对所青睐的暗物质质量区域的可探测性。

提出的方法

• 使用FlexibleSUSY-2.7.0计算W玻色子自能与μ子反常磁矩的一圈修正。
• 实施对Higgs玻色子质量、遗迹密度、味物理及直接探测实验（XENON1T、LZ、PandaX-4T）的约束。
• 通过包含selectron与中性子的共湮灭过程抑制暗物质湮灭截面。
• 使用NMSSMTools-6.0.0验证结果，并与ATLAS及LHC在13 TeV下对selectron与中性子对产生数据进行比较。
• 利用当前与未来实验（XENONnT、LZ、DARWIN）的直接探测灵敏度进行投影。
• 聚焦于类双线型中性子作为暗物质候选者，并假设左右手轻子态质量分裂最小。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NMSSM中，轻量电弱ino与轻子态能否同时解释CDF II W玻色子质量异常与μ子g-2偏差？
• RQ2 满足两个异常及所有实验约束的类双线型中性子暗物质质量范围是多少？
• RQ3 涉及smuon的共湮灭过程如何影响暗物质遗迹密度与间接探测信号？
• RQ4 在多大程度上，未来直接探测实验可探测到所青睐的参数空间？
• RQ5 在近期LUX-ZEPLIN结果背景下，单态-Higgs共振解释银河系中心伽马射线过量是否仍具可行性？

主要发现

• CDF II W玻色子质量异常与μ子g-2偏差可通过NMSSM中的轻量电弱ino与轻子态同时解释。
• 类双线型中性子暗物质质量被限制在180–280 GeV之间，与两个异常及宇宙学约束一致。
• 最轻中性子与smuon之间的共湮灭区域使暗物质湮灭截面低于10⁻²⁷ cm³s⁻¹。
• 最新的LUX-ZEPLIN（LZ）实验已排除Z/H共振区域，排除了单态-Higgs共振对银河系中心过量的解释。
• 所青睐的暗物质质量区域（180–280 GeV）完全处于未来直接探测实验（包括PandaX-4T、XENONnT、LZ与DARWIN）的灵敏度范围内。
• ATLAS与LHC 13 TeV数据对selectron与中性子对产生的约束进一步收紧了可行参数空间，尤其在共湮灭区域。