[论文解读] Non-thermal CMSSM with a 125 GeV Higgs

Luis Aparicio, Michele Cicoli+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 47被引用 5

一句话总结

本文在受限最小超对称标准模型（CMSSM）框架内提出了一种非热宇宙学情景，其中暴胀后的再热温度为额外自由参数。研究表明，一个质量约为300 GeV的类Higgsino LSP与约2 GeV的再热温度可重现观测到的暗物质丰度，且与LHC、Planck以及直接/间接探测约束一致，尽管由于模场晚期衰变，标准热机制失效。

ABSTRACT

We study the phenomenology of the CMSSM/mSUGRA with non-thermal neutralino dark matter. Besides the standard parameters of the CMSSM we include the reheating temperature as an extra parameter. Imposing radiative electroweak symmetry breaking with a Higgs mass around 125 GeV and no dark matter overproduction, we contrast the scenario with different experimental bounds from colliders (LEP, LHC), cosmic microwave background (Planck), direct (LUX, XENON100, CDMS, IceCube) and indirect (Fermi) dark matter searches. The allowed parameter space is characterised by a Higgsino-like LSP with a mass around 300 GeV. The observed dark matter abundance can be saturated for reheating temperatures around 2 GeV while larger temperatures require extra non-neutralino dark matter candidates and extend the allowed parameter space. Sfermion and gluino masses are in the few TeV region. These scenarios can be achieved in string models of sequestered supersymmetry breaking which avoid cosmological moduli problems and are compatible with gauge coupling unification. Astrophysics and particle physics experiments will fully investigate this non-thermal scenario in the near future.

研究动机与目标

• 探索通过晚期模场衰变实现非热暗物质产生的CMSSM的理论现象学，将再热温度引入为额外参数。
• 在非热宇宙学框架下，将观测到的125 GeV Higgs玻色子质量与可行的暗物质丰度相协调。
• 利用对撞机（LEP、LHC）、宇宙微波背景（Planck）以及直接/间接暗物质探测（LUX、XENON100、Fermi、IceCube）的约束来检验该模型。
• 识别暗物质丰度被完全饱和而不过量的可行参数区域，尤其考虑宇宙学模场问题。
• 评估该情景在具有隔离超对称性破缺与规范耦合统一的弦理论模型中的可行性。

提出的方法

• 通过将再热温度 $ T_R $ 作为额外自由参数，扩展了标准CMSSM/mSUGRA参数空间。
• 施加辐射电弱对称性自发破缺，并固定Higgs质量为125 GeV，与LHC测量结果一致。
• 非热地计算中性ino LSP的丰度，假设其由物质主导后长寿命模场的衰变产生。
• 应用来自LEP、LHC、Planck、LUX、XENON100、CDMS、Fermi和IceCube的约束以限制参数空间。
• 评估了正负 $\mu$-参数情景，重点关注类Higgsino LSP。
• 考虑了弦论启发的紫外完备化，其中 $ T_R \sim M_P \epsilon^{9/4} $，$ m_{\text{mod}} \sim M_P \epsilon^{3/2} $，且 $ M_{\text{soft}} \sim M_P \epsilon^2 $，当 $ \epsilon \sim 10^{-8} $ 时，可得 $ T_R \sim 1-10 $ GeV 与 $ M_{\text{soft}} \sim \text{TeV} $。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CMSSM中，非热宇宙历史能否重现观测到的125 GeV Higgs玻色子质量与正确的暗物质丰度？
• RQ2 哪些再热温度 $ T_R $ 范围可使观测到的暗物质丰度被饱和而不产生过量？
• RQ3 直接与间接暗物质探测约束（尤其是LUX与Fermi）如何塑造可行的参数空间？
• RQ4 在该非热情景下，对撞机理论现象学（特别是LHC与未来100 TeV对撞机）有何影响？
• RQ5 该非热CMSSM能否嵌入具有隔离超对称性破缺与规范耦合统一的弦紧化模型中？

主要发现

• 对于质量约300 GeV的类Higgsino LSP与再热温度 $ T_R \simeq 2 $ GeV，观测到的暗物质丰度可被完全饱和。
• LUX与Fermi约束最为严格，将可行参数空间缩小至以 $ T_R \simeq 2 $ GeV 与 $ m_\chi \simeq 300 $ GeV 为中心的小区域。
• 当 $ T_R > 2 $ GeV 时，需引入额外的非中性ino暗物质组分以解释全部观测到的丰度。
• 标量夸克与胶inos的质量被预测在数TeV量级，超出当前LHC探测能力，但未来100 TeV对撞机可探测。
• 该模型预测近简并的带电粒子与中性粒子谱（最轻带电粒子、最轻与次轻中性粒子），可通过LHC上的单jet + 软轻子 + 漏失能量信号探测。
• 具有 $ \epsilon \sim 10^{-8} $ 的弦论模型自然产生 $ T_R \sim 1-10 $ GeV，$ m_{\text{mod}} \sim 10^6 $ GeV，且 $ M_{\text{soft}} \sim \text{TeV} $，使该情景在紫外完备化下成立，并与统一性一致。