[论文解读] Prospects for Sneutrino Dark Matter in the BLSSM

Luigi Delle Rose, Shaaban Khalil+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文研究了B-L超对称标准模型（BLSSM）中右手中微子作为暗物质候选者的可行性，表明其为MSSM提供了一种自然且受约束良好的替代方案。研究显示，BLSSM在暗物质方面具有显著更大的可行参数空间，同时可通过伽马射线信号实现间接探测，特别是通过CP奇和CP偶右手中微子衰变，未来高能伽马射线望远镜有望观测到这些信号。

ABSTRACT

The $(B-L)$ Supersymmetric Standard Model (BLSSM) motivates several Dark Matter (DM) candidates beyond the Minimally Supersymmetric Standard Model (MSSM). We assess the comparative naturalness of the two models and discuss the potential detection properties of a particular candidate, the Right-Handed (RH) sneutrino.

研究动机与目标

• 在统一的软对称性破缺参数条件下，评估BLSSM相较于MSSM的自然性。
• 评估右手中微子在BLSSM框架下作为暗物质候选者的可行性。
• 分析右手中微子暗物质在直接探测、间接探测及对撞机探测方面的前景。
• 识别若被观测到，可证实右手中微子暗物质的独特LHC信号。
• 确定CP偶与CP奇右手中微子态是否可通过伽马射线能谱特征加以区分。

提出的方法

• 基于Z玻色子质量对GUT尺度软对称性破缺参数（m₀, m₁/₂, A₀, μ, Bμ）及额外BLSSM参数（μ′, Bμ′）的敏感性，采用微调度量（Δ）。
• 使用SPheno对参数空间进行扫描，并施加HiggsBounds与HiggsSignals的约束，以确保与LHC希格斯玻色子数据一致。
• 将Z′规范玻色子质量固定在4 TeV，以满足LHC二轻子搜寻的现有限制。
• 利用MadGraph模拟右手中微子暗物质通过单胶子喷注、Z′衰变、selectron与squark对产生等过程的LHC产生截面。
• 计算右手中微子湮灭产生的剩余密度与伽马射线谱，重点关注CP偶与CP奇情形。
• 分析末态光子的能谱形状，以评估其与中性子信号的可区分性，以及未来在更高能量下的探测潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在约束性MSSM（CMSSM）情景下，BLSSM的自然性与MSSM相比如何？
• RQ2 右手中微子在BLSSM中对暗物质剩余密度的贡献是什么？
• RQ3 能否通过间接探测的伽马射线谱特征区分CP偶与CP奇右手中微子态？
• RQ4 右手中微子暗物质在LHC中的主要产生与衰变信号是什么？这些信号是否可在当前或近期内实验中观测到？
• RQ5 BLSSM是否能在满足所有现有实验约束的前提下，为暗物质提供比MSSM更大的可行参数空间？

主要发现

• BLSSM在参数空间的大部分区域表现出与MSSM相当的微调水平，Δ < 500，表明其自然性特性相似。
• 由于右手中微子在Type-I seesaw机制中的独特作用，其在BLSSM中为暗物质提供了显著更大的可行参数空间，优于MSSM。
• 通过伽马射线实现间接探测具有前景：右手中微子可产生高达661 GeV的光子，超过当前实验上限约300 GeV，表明未来高能伽马射线望远镜可能实现可观测。
• CP偶与CP奇右手中微子衰变产生的伽马射线谱彼此无法区分，但与中性子谱具有特征性差异，可能源于自旋差异（标量 vs. 费米子）。
• LHC信号如单胶子喷注、Z′ → 右手中微子对产生、selectron对产生及squark衰变，可产生独特末态（如多喷注+多轻子），尽管截面较小（例如，Z′衰变的σ ≈ 0.025 fb）。
• selectron与squark对产生具有更大的截面（约0.1 fb），其衰变链涉及重中微子，可产生完全或半轻子末态，可能被唯一识别。