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

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

Particle physics theoretical and experimental studies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。该模型预测了大型强子对撞机（LHC）中具有喷射位移顶点及多轻子/喷注/光子+缺失能量的新信号，同时长寿命的引力子作为暗物质候选者出现。费米-LAT数据将引力子质量限制在m₃/₂ < 4.8 GeV，寿命τ₃/₂ > 7.9×10²⁷ s（95%置信水平），在更广泛的参数空间中，潜在扩展可达20 GeV和10²⁵ s。

ABSTRACT

The `$μ$ from $ν$' supersymmetric standard model ($μν$SSM) solves the $μ$ problem of supersymmetric models and reproduces neutrino data, simply using couplings with the three families of right-handed neutrinos $ν$'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，利用其真空期望值生成有效μ项，以解决超对称中的μ问题。
• 通过涉及由三线性耦合生成的有效马约拉纳质量的跷跷板机制，重现中微子质量与混合角。
• 探索μνSSM中R-宇称破坏超对称的理论现象学，其中最轻的超对称粒子（LSP）不稳定并发生衰变，产生位移顶点。
• 评估在μνSSM中引力子作为暗物质候选者的可行性，考虑其衰变为单能伽马射线。
• 利用费米- LAT伽马射线数据，对引力子质量与寿命进行约束，特别关注银河极区。

提出的方法

• μνSSM在MSSM基础上扩展，引入三线性耦合λᵢν̂ᶜᵢĤᵤĤd与1/3κᵢⱼₖν̂ᶜᵢν̂ᶜⱼν̂ᶜₖ，生成有效μ项与右手中微子的马约拉纳质量。
• 有效μ项为μ^eff = λᵢ⟨ν̂ᶜᵢ⟩，其中⟨ν̂ᶜᵢ⟩为右手中微子标量的真空期望值，从而动态解决μ问题。
• 由于缺乏R-宇称守恒项，导致R-宇称破坏，使LSP衰变为标准模型粒子，产生即时或位移顶点。
• 利用Einasto暗物质晕剖面计算引力子衰变产生的伽马射线信号，参数为ρ₀ ≈ 0.4 GeV/cm³，rs = 20 kpc，α = 0.17。
• 利用费米- LAT 62个月的数据，在银河极区（|b| > 60°）搜索引力子衰变产生的单能伽马射线线。
• 通过信号与背景比，结合未观测到谱线，于95%置信水平推导出引力子质量与寿命的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 μνSSM能否通过右手中微子耦合同时解决μ问题并解释中微子质量？
• RQ2 由于R-宇称破坏与不稳定的LSP，μνSSM在LHC中会预期出现哪些新颖的信号？
• RQ3 尽管发生衰变，μνSSM中的引力子如何作为可行的暗物质候选者？
• RQ4 从费米- LAT伽马射线观测中，可对引力子质量与寿命施加何种约束？
• RQ5 不同的暗物质晕剖面与参数空间区域如何影响引力子衰变限制的推导？

主要发现

• μνSSM通过右手中微子标量的真空期望值成功解决了μ问题，生成有效μ项，而无需引入基本参数。
• 中微子质量与混合角通过涉及由三线性耦合生成的有效马约拉纳质量的广义跷跷板机制重现。
• μνSSM中的R-宇称破坏导致LSP不稳定，产生具有多轻子、喷注、光子、缺失能量以及即时或位移顶点的LHC独特信号。
• 费米- LAT数据将引力子质量限制在m₃/₂ < 4.8 GeV，寿命τ₃/₂ > 7.9×10²⁷ s（95%置信水平），假设所有暗物质均为引力子形式。
• 对全参数空间的初步探索表明，在某些区域，引力子质量与寿命的限制可能扩展至m₃/₂ < 20 GeV与τ₃/₂ > 10²⁵ s，具体取决于三体衰变贡献。