[论文解读] Searching for SUSY and decaying gravitino DM at the LHC and Fermi-LAT with the $\mu u$SSM

Carlos Muñoz|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用 5

一句话总结

该论文提出µνSSM作为一项超对称模型，通过右手中微子耦合解决µ问题并解释中微子质量，导致R-宇称破坏。该模型预测了LHC中具有喷射位移和多轻子/喷注/光子末态的新信号，同时长寿命的引力子作为暗物质可通过费米-LAT伽马射线线探测，其质量被约束在<5–20 GeV之间，寿命>10²⁵–10²⁸ s，具体取决于参数空间。

ABSTRACT

The `$\mu$ from $ u$' supersymmetric standard model ($\mu u$SSM) solves the $\mu$ problem of supersymmetric models and reproduces neutrino data, simply using couplings with the three families of right-handed neutrinos $ u$'s. Novel signatures of supersymmetry at the LHC are expected through these new states, and couplings breaking $R$ parity. All supersymmetric particles are potential candidates for the lightest one, which is not stable leading to prompt or displaced vertices and producing final states with multi-leptons/taus/jets/photons and missing energy. Besides, a decaying gravitino turns out to be an interesting candidate for dark matter. It can be searched through gamma-ray observations, such as those of the Fermi Large Area Telescope. The latter, depending on the region of the parameter space of the model, already imposes an upper bound on the gravitino mass of the order of $5-20$ GeV and a lower bound on the lifetime of about $10^{25-28}$ s.

研究动机与目标

• 通过引入右手中微子耦合生成有效µ项，以解决超对称中的µ问题。
• 通过涉及右手中微子超对称场真空期望值的 seesaw 机制，解释中微子质量及其混合角。
• 探索由于超对称粒子的R-宇称破坏衰变而产生的LHC新信号，包括即时和位移顶点。
• 利用费米-LAT伽马射线观测评估衰变引力子作为暗物质候选者的可行性。
• 基于单色伽马射线未被观测到的结果，对引力子质量与寿命设置稳健约束。

提出的方法

• 引入包含R-宇称破坏耦合λi ν̃c_i H̃d H̃u 的µνSSM，通过右手中微子超对称场真空期望值⟨ν̃c_i⟩生成有效µ项。
• 利用κijk ν̃c_i ν̃c_j ν̃c_k 耦合，通过 seesaw 机制生成右手中微子的有效马约拉纳质量。
• 在R-宇称破坏下分析LHC现象学，其中最轻的超对称粒子（LSP）发生即时或位移衰变，产生包含多轻子/τ子/喷注/光子与缺失能量的末态。
• 评估引力子作为暗物质候选者，其寿命因引力作用和微小R-宇称破坏耦合而被抑制。
• 使用62个月的数据进行费米-LAT分析，采用Einasto剖面建模银河系晕，并在|b| > 60°区域选择高信背比区域。
• 应用谱线搜索以约束引力子的质量与寿命，利用单色伽马射线未被观测到的95%置信水平上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 µνSSM能否在不引入基本µ项的前提下解决µ问题并重现中微子实验数据？
• RQ2 由于R-宇称破坏和非稳定LSP的存在，µνSSM中预期的LHC新信号是什么？
• RQ3 在µνSSM中，衰变引力子是否是可行的暗物质候选者，其可观测信号特征如何？
• RQ4 利用费米-LAT伽马射线数据，可对引力子质量与寿命施加何种约束？
• RQ5 晕剖面不确定性与ROI选择如何影响对引力子衰变参数的限制？

主要发现

• µνSSM通过右手中微子超对称场真空期望值生成有效µ项，无需基本µ项即可解决µ问题。
• 该模型通过κijk耦合与ν̃c_i真空期望值，借助 seesaw 机制重现了观测到的中微子质量与混合角。
• R-宇称破坏导致LSP衰变产生即时或位移顶点，产生包含多轻子/τ子/喷注/光子与缺失能量的末态。
• 费米-LAT 62个月观测数据对引力子质量的95%置信水平上限为4.8 GeV，若所有暗物质均为引力子，则其寿命下限为7.9 × 10²⁷ s。
• 对三体衰变的初步探索表明，在某些参数区域，引力子质量上限可能达到~20 GeV，而寿命下限可能降至~10²⁵ s。
• µνSSM参数空间中理论 favored 区域被约束为引力子质量<5–20 GeV，寿命>10²⁵–10²⁸ s，具体取决于模型区域。