[论文解读] Sneutrino cold dark matter in extended MSSM models

Chiara Arina|ArXiv.org|May 14, 2008

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 6

一句话总结

本文研究了在最小超对称标准模型（MSSM）之外的扩展超对称模型中，中微子超伴粒子（sneutrinos）作为可行的冷暗物质候选者的可能性。通过引入右手中微子超多重态和轻子数破坏项——特别是在LR和低能标马约拉纳模型中——本文表明，中微子超伴粒子可在广泛的质量范围（15–800 GeV）内实现正确的遗迹丰度，并避开直接探测约束，作为主导或次主导暗物质依然可行，尤其是在与右手中微子分量混合时，可抑制Z玻色子耦合和散射截面。

ABSTRACT

A thorough analysis of sneutrinos as dark matter candidates is performed, in different classes of supersymmetric models, as is typically done for the neutralino dark matter. First in the Minimal Supersymmetric Standard Model, sneutrinos are marginally compatible with existing experimental bounds, including direct detection, provided they compose a subdominant component of dark matter. Then supersymmetric models with the inclusion of right-handed fields and lepton number violating terms are presented. These models are perfectly viable: they predict sneutrinos which are compatible with the current direct detection sensitivities.

研究动机与目标

• 评估在最小超对称标准模型（MSSM）中，中微子超伴粒子作为冷暗物质候选者的可行性，其中它们通常丰度不足且受直接探测约束。
• 通过引入右手中微子超多重态和轻子数破坏项，扩展MSSM，以探索中微子超伴粒子暗物质的新现象学区域。
• 确定中微子超伴粒子暗物质是否能满足宇宙学遗迹丰度约束（Ωh² ≈ 0.12），并兼容DAMA/NaI等实验的直接探测限制。
• 分析左右中微子超伴粒子混合及非对角Z玻色子耦合对湮灭截面和核子散射率的影响。
• 识别在当前实验约束下，中微子超伴粒子可作为主导或次主导暗物质成分的可行参数空间。

提出的方法

• 通过完整湮灭和共湮灭过程计算中微子超伴粒子的遗迹丰度Ωh²，包括MSSM中简并中微子超伴粒子态和质量分裂的影响。
• 采用标量核子散射截面σ_nucleon^scalar = σ_Z + σ_h,H，通过t通道图建模Z和希格斯交换的直接探测信号。
• 在超势和软性破缺势中引入右手中微子超多重态ŜN^I和轻子数破坏项，以生成左右中微子超伴粒子态之间的混合。
• 使用CP本征态基来处理非对角Z-中微子超伴粒子耦合，从而抑制直接探测率并改变湮灭通道。
• 在LR和低能标马约拉纳模型中，对质量与混合参数进行全面的超对称参数扫描，以映射m1–θ参数空间中的可行区域。
• 当中微子超伴粒子为次主导时，通过ξ = min(1, Ωh² / 0.092)对局部中微子超伴粒子密度进行重标定，以正确评估直接探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在最小MSSM中，中微子超伴粒子能否在宇宙学丰度不足和直接探测约束下仍作为可行的冷暗物质候选者？
• RQ2 引入右手中微子超多重态和轻子数破坏相互作用后，对中微子超伴粒子暗物质的遗迹丰度和直接探测截面有何影响？
• RQ3 左右中微子超伴粒子混合在多大程度上抑制Z玻色子耦合并降低核子散射截面，从而避开直接探测限制？
• RQ4 在扩展的MSSM模型中，中微子超伴粒子暗物质的可行质量范围是多少，使其可作为主导或次主导成分？
• RQ5 在扩展模型中，中微子超伴粒子暗物质能否解释DAMA/NaI实验观测到的年调制信号？

主要发现

• 在最小MSSM中，中微子超伴粒子在宇宙学上可行，但通常丰度不足，Ωh²远低于WMAP观测到的0.092–0.124范围，仅在600–700 GeV的狭窄质量窗口内例外。
• 在包含右手中微子超多重态和轻子数破坏的LR模型中，中微子超伴粒子可在15至800 GeV的广泛质量范围内成为主导暗物质成分，并满足宇宙学约束。
• 引入右手中微子混合可降低最轻中微子超伴粒子与Z玻色子的耦合，抑制直接探测截面，使大量参数空间仍与当前实验限制相容。
• 在LR模型中，相当大一部分参数空间——尤其是宇宙学主导的中微子超伴粒子——位于当前直接探测灵敏度范围内，部分构型可解释DAMA/NaI的年调制信号。
• 在M = 1 TeV的低能标马约拉纳模型中，中微子超伴粒子可从5 GeV至1 TeV覆盖全部暗物质丰度，且大量构型与直接探测限制一致，包括靠近DAMA/NaI信号区域的参数。
• 本研究在R对称性守恒下，基于宇宙学约束和足够遗迹丰度要求，确定LR模型中中微子超伴粒子暗物质的下限质量约为15 GeV。