[论文解读] Phenomenological Aspects of the $E_6$SSM

Jonathan P. Hall|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 127被引用 3

一句话总结

本文研究了 $E_6$ SSM 的现象学，这是一种受弦理论启发的超对称大统一理论，重点关注其惰性中性子扇区作为暗物质候选者的性质。研究发现，最轻的惰性中性子与标准模型类希格斯玻色子强烈耦合，导致自旋无关的 LSP-核子散射截面显著偏大，与直接探测约束相冲突，从而挑战其作为冷暗物质的可行性。为此提出了一种新的 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 变体，其早期宇宙的膨胀速率因超对称的无质量态而发生改变，从而更符合大爆炸核合成数据。

ABSTRACT

The inert neutralino sector of the $E_6$SSM and the dark matter that naturally arises from this sector is studied for the first time. Limits on the parameter space from experimental and cosmological observations relating to the inert neutralino dark matter are explored and the consequences for Higgs boson phenomenology are investigated. In plausible scenarios it is found that the couplings of the lightest inert neutralinos to the SM-like Higgs boson are always rather large. This has major implications for Higgs boson collider phenomenology and leads to large spin-independent LSP-nucleon cross-sections. Because of the latter, scenarios in which $E_6$SSM inert neutralinos account for all of the observed dark matter are now severely challenged by recent dark matter direct detection experiment analyses. In plausible scenarios consistent with observations from both cosmology and LEP the lightest inert neutralino is required to have a mass around half of the Z boson mass if it contributes to cold dark matter and this means that $ an(β)$ cannot be too large. A new variant of the $E_6$SSM called the $E_6Z_2^S$SSM is also presented in which the dark matter scenario is very different to the inert neutralino cold dark matter scenario and in which the presence of supersymmetric massless states in the early universe modifies the expansion rate of the universe prior to Big Bang Nucleosynthesis. The new dark matter scenario is consistent with current observations and the modified expansion rate provides a better explanation of various data than the SM prediction. The prospects for a warm dark matter scenario in the $E_6$SSM are also briefly discussed.

研究动机与目标

• 研究 $E_6$ SSM 中惰性中性子扇区作为冷暗物质候选者的现象学可行性。
• 评估强希格斯-中性子耦合对直接探测实验和对撞机现象学的影响。
• 从遗迹密度和 LEP 数据出发，探讨宇宙学对惰性中性子质量和 $\tan\beta$ 的约束。
• 提出并分析一种新的 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 变体，其中超对称无质量态改变了早期宇宙的膨胀速率。
• 评估通过惰性单态子实现温暗物质的可能性。

提出的方法

• 构建具有 $E_6$ 规范对称性、$R$-宇称和 $\mathds{Z}^H_2$ 对称性的 $E_6$ SSM 拉格朗日量，以稳定最轻的惰性中性子。
• 利用超势和软性破缺项推导中性子和带电杂交子的质量矩阵，包含三线性耦合 $\lambda'$ 和 $\epsilon$。
• 应用玻尔兹曼方程计算最轻惰性中性子的热退耦遗迹密度，使其与宇宙学观测相匹配。
• 通过参数 $\lambda'$、$\tan\beta$、$f$ 和 $s$ 的数值扫描，绘制出可行的暗物质区域。
• 在 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 中计算有效中微子数 $N_{\mathrm{eff}}$，以评估大爆炸核合成期间与标准模型预测的偏差。
• 通过自旋无关的核子散射计算直接探测截面，使用希格斯门户耦合强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $E_6$ SSM 中，惰性中性子作为冷暗物质候选者受到哪些现象学约束？
• RQ2 最轻的惰性中性子与标准模型类希格斯玻色子的耦合有多强？其对撞机和直接探测的含义是什么？
• RQ3 $E_6$ SSM 能否在满足 LEP 和宇宙学约束的前提下解释观测到的暗物质遗迹密度？
• RQ4 在 $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 中，超对称无质量态的存在如何改变早期宇宙的膨胀速率，并影响大爆炸核合成？
• RQ5 通过惰性单态子实现温暗物质情景在 $E_6$ SSM 中的可行性如何？

主要发现

• 在 $E_6$ SSM 中，最轻的惰性中性子与标准模型类希格斯玻色子强烈耦合，导致显著的自旋无关的 LSP-核子散射截面。
• 这些较大的截面在参数空间的大部分区域排除了惰性中性子作为可行冷暗物质候选者的可能性，与近期直接探测约束相冲突。
• 若惰性中性子需解释全部观测到的暗物质，则其质量必须约为 $Z$ 玻色子质量的一半，即约 45 GeV，且 $\tan\beta$ 必须较小。
• $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 变体引入了超对称无质量态，使大爆炸核合成前的 $N_{\mathrm{eff}}$ 增大，从而比标准模型更符合宇宙学数据。
• $E_6\mathds{Z}^S_2$ SSM 中修改的膨胀速率导致更高的 $N_{\mathrm{eff}}$ 预测值，与观测数据一致。
• 通过惰性单态子实现温暗物质的情景是可能的，尽管尚未完全探索，但可能缓解小尺度结构形成中的张力。