[论文解读] Sparticle Spectroscopy at LHC-Run3 and LSP Dark Matter in light of Muon g-2

Qaisar Shafi, Cem Salih Ün|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用 5

一句话总结

本文提出一个超对称GUT模型，其在GUT尺度下具有非简并的gaugino和sfermion质量，以调和μ子g-2测量中4.2σ的偏差。通过允许较轻的slepton（300–800 GeV）和chargino（高达~800 GeV），该模型通过chargino–neutralino圈图增强μ子g-2的贡献，LHC-Run3预计可在68%置信水平下探测到高达700 GeV的chargino质量，而暗物质的剩余密度则通过slepton–chargino共湮灭机制得以满足。

ABSTRACT

Inspired by the latest measurement of muon g-2 by the Fermilab Experiment, we revisit a class of supersymmetric models in which non-universality at M_GUT allows us to realize relatively light sleptons in the few hundred GeV range. These sleptons provide additional contributions to muon g-2 that can be arranged to reconcile theory and experiment. The solutions compatible with the muon g-2 resolution typically predict light sleptons, charginos and neutralinos. We show how these solutions can be probed during LHC-Run3. A direct impact on the chargino mass is observed such that the chargino can be probed up to about 800 GeV during the Run3 experiments. Despite such a direct impact, it is still possible to realize lighter chargino masses which can escape detection due to the chirality mixture of the lighter slepton states. The colored squarks as well as the gluino turn out to be heavier than about 3-4 TeV if the LSP neutralino satisfies the Planck bound on the dark matter relic abundance. We highlight a variety of benchmark points and, in particular, coannihilation scenarios with dark matter candidates that will be tested in the ongoing and planned direct and indirect detection experiments. By relaxing the requirement that the LSP neutralino saturates the relic dark matter abundance, we are able to find solutions with gluino and squark masses in a range that may be accessible at LHC-Run3.

研究动机与目标

• 利用超对称性解决μ子反常磁矩（g-2）中4.2σ的偏差。
• 通过非简并的GUT尺度质量，调和轻量slepton（数百GeV）与重量squark和gluino（3–4 TeV）之间的矛盾。
• 识别满足Planck剩余密度约束的模型中，LHC-Run3可探测的chargino和暗物质信号。
• 探索涉及轻量slepton、chargino和stau的共湮灭机制，以实现可行的暗物质候选者。
• 评估在剩余密度约束下，gluino和squark质量在3–4 TeV范围内的可行性。

提出的方法

• 在GUT尺度下实现具有非简并gaugino和sfermion质量的超对称GUT模型，同时保持规范耦合统一。
• 利用从M_GUT到电弱尺度的跑动方程，生成第一/第二代slepton和squark之间的质量分裂。
• 计算来自chargino–neutralino和smuon–sneutrino圈图对μ子g-2的贡献，重点关注手征性翻转和混合效应。
• 应用实验约束：μ子g-2偏差（Δa_μ = 25.1±5.9×10⁻¹⁰）、Planck暗物质剩余密度和LHC对超对称粒子的限制。
• 对模型参数（如μ、tanβ、A_μ、m_0、M_1/2）进行蒙特卡洛扫描，以识别可行的基准点。
• 模拟LHC-Run3对chargino对产生过程的探测灵敏度，估算在m_χ̃₁± > 500–700 GeV时，68%和95%置信水平下的发现可达性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在M_GUT尺度下，非简并的sfermion和gaugino质量是否能调和观测到的μ子g-2异常，同时保持规范耦合统一？
• RQ2 在与μ子g-2数据一致的模型中，LHC-Run3可探测到的chargino质量最大可达多少？
• RQ3 涉及slepton、stau和chargino的共湮灭过程如何影响LSP中性ino的剩余密度？
• RQ4 gluino和squark质量能否低至3–4 TeV，同时满足Planck暗物质剩余密度约束？
• RQ5 chargino和neutralino的组分（如Wino-like）对LHC-Run3探测超对称信号的可探测性有何影响？

主要发现

• 对于解决μ子g-2异常的模型，LHC-Run3可在68%置信水平下探测到高达约700 GeV的chargino质量，在95%置信水平下探测到600 GeV。
• 该模型预测slepton质量在300–800 GeV范围内，stau质量最高可达3 TeV，通过chargino–neutralino圈图显著贡献于μ子g-2。
• LSP中性ino与第一/第二代slepton或chargino之间的共湮灭过程，可在5σ范围内满足Planck观测到的暗物质剩余密度。
• Bino-like LSP与Wino-like chargino的解可产生相对较低的自旋无关暗物质散射截面（约10⁻¹⁰ pb），需依赖未来直接探测实验的升级。
• 该模型允许gluino和squark质量低至3–4 TeV，同时满足剩余密度约束，使其在LHC-Run3中具有潜在可探测性。
• μ子g-2的主要贡献来自Bino和Wino圈图，Higgsino贡献在参数空间的特定区域变得不可忽略。