[论文解读] Relic density of dark matter in mSUGRA and non-universal SUGRA

G. Bélanger, F. Boudjema+3 more|ArXiv.org|Dec 21, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了 mSUGRA 和非幺模 SUGRA 模型中的暗物质遗迹密度，表明 mSUGRA 需要精细调参（如共湮灭或 Higgs 共振）才能满足 WMAP 的遗迹密度约束；而非幺模 SUGRA 模型中，若 LSP 为 Higgsino 或 wino 类型，则由于增强的湮灭截面，能自然实现正确的密度，使得即使在超出 LHC 探测范围的高能质量区域，参数空间的大部分仍保持可行。

ABSTRACT

The measurements of WMAP on the relic density of dark matter strongly constrain supersymmetric models. In mSUGRA where the neutralino LSP is mostly a bino only rather fine-tuned models survive. On the other hand the relic density upper limit can be easily satisfied in models with a Higgsino or wino LSP.

研究动机与目标

• 评估 WMAP 精确的遗迹密度测量对 mSUGRA 和非幺模 SUGRA 模型可行性的影响力。
• 识别 mSUGRA 中满足 WMAP 对 Ωh² 上限的参数区域，特别关注共湮灭、焦点点和 Higgs 漩涡区域。
• 探讨 SUGRA 模型中非幺模规范子质量如何通过增强中性子湮灭截面来缓解遗迹密度约束。
• 评估 LHC 对与 WMAP 数据相容的超对称模型的探测能力，特别是在非幺模情形下。

提出的方法

• 使用 micrOMEGAs 代码计算遗迹密度，其中包含所有带有圈修正的湮灭和共湮灭通道。
• 利用 SOFTSUSY 1.8.6 生成物理超粒子谱，并通过 SUSY Les Houches 协定与 micrOMEGAs 接口。
• 分析聚焦于在 GUT 标度下具有通用边界条件的 mSUGRA，以及具有不同规范子质量比（M₁/M₂, M₃/M₂）的非幺模 SUGRA 模型。
• 在固定 tanβ 和 A₀ = 0 的条件下，于 M₀–M₁/₂ 平面扫描参数空间，顶夸克质量设为 175 GeV。
• 应用 Higgs 粒子质量限制、b→sγ 及精密测量的约束，以筛选可行模型。
• 绘制 Ωh² = 0.129 和 0.094 的遗迹密度等高线，以及 111 和 114 GeV 的 Higgs 质量等高线。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 mSUGRA 中，哪些特定参数区域满足 WMAP 的遗迹密度约束？其背后的机制是什么？
• RQ2 在 SUGRA 模型中引入非幺模规范子质量后，对遗迹密度及 LSP 作为暗物质候选者的可行性有何影响？
• RQ3 具有 wino 类型或 Higgsino 类型 LSP 的模型是否能自然满足 WMAP 的遗迹密度上限而无需精细调参？
• RQ4 顶夸克质量对 mSUGRA 中允许区域的位置和大小有何影响？
• RQ5 在满足遗迹密度约束的条件下，LHC 对 mSUGRA 和非幺模 SUGRA 模型的探测能力有何差异？

主要发现

• 在 mSUGRA 中，仅有三个区域满足 WMAP 的遗迹密度约束：共湮灭（当 m_τ̃₁ ≈ m_χ̃₁⁰ 时）、焦点点（M₀ 较大）和 Higgs 漩涡（tanβ 较大），且均需精细调参。
• mSUGRA 的主体区域（低 M₀ 和 M₁/₂）受到强烈约束，原因在于 bino 类型 LSP 对费米子的湮灭效率低下。
• 在 M₁/M₂ = 1.8 的非幺模 SUGRA 模型中，LSP 呈现 wino 类型，可实现高效湮灭，即使在高能质量下也能满足遗迹密度约束。
• 当 M₃ = M₂/2 时，LSP 获得显著的 Higgsino 成分，即使在中等 tanβ 下也能通过 s 通道 Higgs 交换实现高效湮灭，从而降低遗迹密度，而无需依赖高 tanβ。
• 在非幺模 SUGRA 中，当 M₀ = 4 TeV 且 M₁/₂ = 3 TeV 时，谱系包括重的标量夸克（3–4 TeV）、约 820 GeV 的中性子，以及约 1.5 TeV 的重 Higgs 粒子，整个谱系超出 LHC 探测范围。
• 在非幺模模型中，由于在固定 M₁/₂ 下标量夸克更轻，Higgs 质量和 b→sγ 约束变得更严格，但遗迹密度约束仍允许大范围的参数空间，尤其在 Higgsino 或 wino LSP 情况下。