[论文解读] Supersymmetric Dark Matter after LHC Run 1

Emanuele Bagnaschi, O. L. Buchmueller+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 87被引用 42

一句话总结

本文分析了在LHC Run 1之后，超对称暗物质（特别是最轻中性ino）如何在MSSM中实现观测到的宇宙原初丰度。研究识别出主导机制——与标量tau、标量顶夸克或带电ino的 coannihilation、Higgs/Z玻色子共振态，以及Higgsino成分——并表明，LHC对缺失能量和长寿命粒子的搜索，结合直接探测实验（如LZ和Darwin），可探测到这些区域中的大部分，其中coannihilation和共振态区域通过LHC与直接探测策略的互补手段最具可探测性。

ABSTRACT

Different mechanisms operate in various regions of the MSSM parameter space to bring the relic density of the lightest neutralino, neutralino_1, assumed here to be the LSP and thus the Dark Matter (DM) particle, into the range allowed by astrophysics and cosmology. These mechanisms include coannihilation with some nearly-degenerate next-to-lightest supersymmetric particle (NLSP) such as the lighter stau (stau_1), stop (stop_1) or chargino (chargino_1), resonant annihilation via direct-channel heavy Higgs bosons H/A, the light Higgs boson h or the Z boson, and enhanced annihilation via a larger Higgsino component of the LSP in the focus-point region. These mechanisms typically select lower-dimensional subspaces in MSSM scenarios such as the CMSSM, NUHM1, NUHM2 and pMSSM10. We analyze how future LHC and direct DM searches can complement each other in the exploration of the different DM mechanisms within these scenarios. We find that the stau_1 coannihilation regions of the CMSSM, NUHM1, NUHM2 can largely be explored at the LHC via searches for missing E_T events and long-lived charged particles, whereas their H/A funnel, focus-point and chargino_1 coannihilation regions can largely be explored by the LZ and Darwin DM direct detection experiments. We find that the dominant DM mechanism in our pMSSM10 analysis is chargino_1 coannihilation: {parts of its parameter space can be explored by the LHC, and a larger portion by future direct DM searches.

研究动机与目标

• 识别CMSSM、NUHM1、NUHM2和pMSSM10参数空间中，能够重现最轻中性ino观测原初丰度的主导暗物质机制。
• 确定这些模型中每种主导暗物质机制相关的实验信号。
• 基于主导暗物质产生机制，评估在LHC和直接暗物质探测实验中发现超对称性的可能性。
• 评估LHC搜索（例如缺失横向能量、长寿命粒子）与直接探测实验（例如LZ、Darwin）在探测MSSM参数空间不同区域时的互补性。
• 为未来LHC和直接探测结果的解释提供一个系统性框架，以对应其背后的暗物质机制。

提出的方法

• 本研究对CMSSM、NUHM1、NUHM2和pMSSM10模型进行全局拟合，纳入来自宇宙微波背景测量的原初丰度约束（$\Omega_{\rm CDM}h^2 = 0.1186 \pm 0.0020$）。
• 通过阈值定义质量简并区域：$|m_{\tilde{\tau}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.15$ 表示 $\tilde{\tau}_1$ coannihilation，$|m_{\tilde{\chi}^{\pm}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.1$ 表示 $\tilde{\chi}^{\pm}_1$ coannihilation，$\tilde{t}_1$ 的情况类似。
• 通过通过 $h$、$Z$ 或 $H/A$ 玻色子的共振湮灭识别喷流区域，要求 $m_{\tilde{\chi}^0_1} \approx m_{\rm boson}/2$。
• 通过LSP中显著的Higgsino成分识别焦点点区域，由 $\mu$ 和 $\tan\beta$ 值确定。
• 利用各模型的特定信号预测，评估LHC搜索（如 $E_T$-缺失、长寿命带电粒子）和直接探测实验（LZ、Darwin）对每种机制的敏感度。
• 使用统计分析评估各区域的可探测性，特别强调对撞机与直接探测实验之间的互补性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC Run 1之后，CMSSM、NUHM1、NUHM2和pMSSM10参数空间中，coannihilation、共振湮灭或Higgsino成分中，哪种暗物质机制占主导？
• RQ2 这些机制的实验信号有何不同？其中哪些最易通过LHC对缺失能量和长寿命粒子的搜索探测到？
• RQ3 直接探测实验（如LZ和Darwin）在多大程度上可探测到相同的参数空间区域？
• RQ4 不同模型中，超对称性的发现前景如何随主导暗物质机制的变化而变化？
• RQ5 当前LHC搜索尚未探测到的pMSSM10参数空间比例是多少？其中有多大比例可通过未来直接探测实验探测到？

主要发现

• 在CMSSM、NUHM1和NUHM2中，当 $|m_{\tilde{\tau}_1}/m_{\tilde{\chi}^0_1} - 1| < 0.15$ 时，$\tilde{\tau}_1$ coannihilation 占主导，且这些区域大多可通过LHC的 $E_T$-缺失和长寿命带电粒子搜索探测到。
• 在CMSSM、NUHM1和NUHM2中，$\tilde{\chi}^{\pm}_1$ coannihilation 和焦点点区域主要由LZ和Darwin等直接探测实验探测。
• 这些模型中的 $H/A$ 喷流区域可通过LHC对重Higgs玻色子的搜索探测，也可通过直接探测实验探测。
• 在pMSSM10中，$\tilde{\chi}^{\pm}_1$ coannihilation 在大部分参数空间中是主导暗物质机制，$\tilde{\tau}_1$ coannihilation 和 $h/Z$ 喷流区域贡献较小。
• 尽管pMSSM10中部分 $\tilde{\tau}_1$ coannihilation 区域可能超出直接探测能力，但pMSSM10参数空间的大部分仍可通过未来直接探测实验探测。
• 分析发现，当前pMSSM10参数空间的 favored 区域中不存在长寿命粒子信号，表明LHC的 $E_T$-缺失和长寿命粒子搜索在该区域可能无效，但直接探测仍具有高度相关性。