[论文解读] Snowmass whitepaper: Exploring natural SUSY via direct and indirect detection of higgsino-like WIMPs

Howard Baer, V. Barger+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2013

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用 8

一句话总结

本文研究了在辐射驱动的自然超对称（RNS）模型中，希格斯ino类WIMP的情况，其中电弱自然性要求轻希格斯ino的质量接近125 GeV，且热余晖丰度被抑制。尽管由于WIMP余晖密度不足而需对探测率进行重新标定，但吨级惰性气体探测器（如Xe-1-ton）仍可探测整个参数空间，可能发现WIMP，或在无信号时排除自然SUSY。

ABSTRACT

Supersymmetric models with low electroweak fine-tuning contain light higgsinos with mass not too far from m_h\simeq 125 GeV, while other sparticles can be much heavier. In the R-parity conserving MSSM, the lightest neutralino is then a higgsino-like WIMP (albeit with non-negligible gaugino components), with thermal relic density well below measured values. This leaves room for axions (or other, perhaps not as well motivated, stable particles) to function as co-dark matter particles. The local WIMP abundance is then expected to be below standard estimates, and direct and indirect detection rates must be accordingly rescaled. We calculate rescaled direct and indirect higgsino-like WIMP detection rates in SUSY models that fulfil the electroweak naturalness condition. In spite of the rescaling, we find that ton-scale noble liquid detectors can probe the entire higgsino-like WIMP parameter space, so that these experiments should either discover WIMPs or exclude the concept of electroweak naturalness in R-parity conserving natural SUSY models. Prospects for spin-dependent or indirect detection are more limited due in part to the rescaling effect.

研究动机与目标

• 评估在低电弱微调条件下，RNS模型中希格斯ino类WIMP的可探测性。
• 考虑由于希格斯ino类WIMP未能达到测量的冷暗物质（CDM）丰度，导致RNS模型中热余晖丰度被抑制的情况。
• 基于本地WIMP丰度因子ξ = Ω_TP h² / 0.12，对直接和间接探测率进行重新标定。
• 评估Xe-1-ton、LUX和IceCube等未来实验在探测RNS参数全空间方面的发现潜力。
• 确定混合轴子–WIMP暗物质情景是否可能进一步抑制WIMP探测率并影响实验探测范围。

提出的方法

• 研究采用NUHM2参数空间，设定Δ_EW < 50和Δ_EW < 100，以建模满足电弱自然性的RNS情景。
• 计算希格斯ino类中性子的热余晖丰度Ω_TP h²，并应用重新标定因子ξ = Ω_TP h² / 0.12于直接和间接探测率。
• 计算自旋无关和自旋相关的直接探测截面，并分别按ξ和ξ²进行重新标定，以反映本地WIMP密度的降低。
• 间接探测率按ξ²重新标定，因其依赖于本地WIMP丰度的平方，尤其适用于γ射线和正电子信号。
• 分析包括Fermi LAT（γ射线）、IceCube（中微子）和COUPP（自旋相关）实验的约束，将限制与重新标定后的理论预测进行比较。
• 考虑涉及轴子和saxion衰变的宇宙学情景，以建模熵稀释和共湮灭效应，这些效应会改变最终的WIMP丰度。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管热余晖密度降低，吨级惰性气体探测器（如Xe-1-ton）是否仍能探测RNS模型中希格斯ino类WIMP的整个参数空间？
• RQ2 通过因子ξ = Ω_TP h² / 0.12对探测率进行重新标定，如何影响直接和间接探测实验的灵敏度？
• RQ3 在存在熵稀释的混合轴子–WIMP暗物质情景中，本地WIMP丰度可能被进一步抑制到何种程度，从而阻碍探测？
• RQ4 在对探测率进行适当重新标定后，IceCube和Fermi LAT的当前限制是否已约束RNS参数空间？
• RQ5 考虑到IceCube的限制依赖于平衡捕获状态且未进行重新标定，通过太阳捕获和湮灭的间接探测是否仍能探测RNS模型？

主要发现

• 尽管热余晖丰度通常比观测到的CDM值低5至15倍，但吨级惰性气体探测器（如Xe-1-ton）仍可探测RNS模型中希格斯ino类WIMP的整个参数空间。
• 经重新标定后的自旋无关直接探测截面仍处于Xe-1-ton的探测能力范围内，意味着可实现自然SUSY的发现或排除。
• 在经ξ重新标定后，COUPP对自旋相关散射的当前限制仍比RNS预测值高出约一个数量级。
• IceCube对自旋相关WIMP散射的当前限制已排除RNS参数空间中最大的σ^SD(˜Z₁p)值，尽管信号区域仍部分可行。
• 由于ξ²重新标定因子的存在，Fermi LAT对WIMP湮灭至WW末态的γ射线线谱限制尚未触及RNS参数空间。
• 在saxion衰变导致显著熵稀释的情景中，本地WIMP丰度可能进一步被抑制，可能使探测更加困难。