[论文解读] Supersymmetry with radiatively-driven naturalness: implications for WIMP and axion searches

Kyu Jung Bae, Howard Baer+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种辐射驱动的自然超对称（RNS）框架，统一了电弱能标与QCD能标中的自然性问题，导致暗物质组分以轴子为主，同时存在次要的希格斯ino样WIMP成分。该模型通过类似DFSZ的轴子机制解决了强CP问题，需同时求解轴ino、轴子和WIMP的耦合玻尔兹曼方程，导致WIMP探测率因丰度分数降低而被抑制，尽管如此，吨级惰性气体探测器仍可探测到完整的参数空间。

ABSTRACT

By insisting on naturalness in both the electroweak and QCD sectors of the MSSM, the portrait for dark matter production is seriously modified from the usual WIMP miracle picture. In SUSY models with radiatively-driven naturalness (radiative natural SUSY or RNS) which include a DFSZ-like solution to the strong CP and SUSY mu problems, dark matter is expected to be an admixture of both axions and higgsino-like WIMPs. The WIMP/axion abundance calculation requires simultaneous solution of a set of coupled Boltzmann equations which describe quasi-stable axinos and saxions. In most of parameter space, axions make up the dominant contribution of dark matter although regions of WIMP dominance also occur. We show the allowed range of PQ scale f_a and compare to the values expected to be probed by the ADMX axion detector in the near future. We also show WIMP detection rates which are suppressed from usual expectations because now WIMPs comprise only a fraction of the total dark matter. Nonetheless, ton-scale noble liquid detectors should be able to probe the entirety of RNS parameter space. Indirect WIMP detection rates are less propitious since they are reduced by the square of the depleted WIMP abundance.

研究动机与目标

• 在MSSM框架内统一解决电弱能标与QCD能标中的自然性问题。
• 研究辐射驱动自然性（RNS）对暗物质组分的影响，特别是轴子与希格斯ino样WIMP之间的相互作用。
• 通过耦合玻尔兹曼方程计算轴子、WIMP、轴ino和轴子的遗迹丰度。
• 评估在RNS框架下，直接探测与间接探测实验中WIMP与轴子的可探测性。
• 确定轴子衰变常数 $f_a$ 的允许范围，并与未来实验灵敏度进行比较，特别是来自ADMX的实验。

提出的方法

• 采用一种具有规范子质量统一和类似DFSZ的轴子机制以解决强CP问题与$μ$问题的辐射驱动自然超对称（RNS）模型。
• 同时求解准稳定轴ino、轴子和WIMP的耦合玻尔兹曼方程，以计算其遗迹丰度。
• 包含轴子的产生机制，如通过错位机制、热产生以及轴子衰变。
• 考虑重粒子（如轴子、重gravitino）衰变引起的晚期熵注入，其会稀释遗迹丰度。
• 通过将标准截面乘以分数 $\xi = \Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 / 0.12$ 来计算WIMP的探测率，该分数反映了WIMP丰度的降低。
• 将预测的WIMP与轴子信号与当前及未来的实验限制进行比较，包括费米LAT的间接探测和ADMX的轴子搜索。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同时解决强CP问题的辐射驱动自然超对称模型中，暗物质的组分是什么？
• RQ2 轴ino、轴子和WIMP的耦合玻尔兹曼方程如何影响轴子与WIMP的遗迹丰度？
• RQ3 由于WIMP在暗物质中为次主导成分，RNS框架中WIMP的直接与间接探测率被抑制到何种程度？
• RQ4 RNS模型中轴子衰变常数 $f_a$ 的允许范围是什么？与未来实验灵敏度相比如何？
• RQ5 尽管WIMP丰度降低，吨级惰性气体探测器是否仍能探测到整个RNS参数空间？

主要发现

• 在RNS参数空间的大部分区域，轴子构成暗物质的主导组分，而WIMP为次级组分。
• WIMP的遗迹丰度因 $\xi = \Omega_{\widetilde{Z}_1}h^2 / 0.12$ 因子而被抑制，导致直接探测截面降低 $\xi$ 倍，间接探测率降低 $\xi^2$ 倍。
• 预计吨级惰性气体探测器可探测到整个RNS参数空间，即使WIMP丰度降低。
• 由于 $\xi^2$ 因子，通过伽马射线或反物质的间接探测显著被抑制，仅在WIMP主导区域可能实现探测。
• 轴子衰变常数 $f_a$ 的允许范围受到约束，且与即将开展的ADMX实验灵敏度范围重叠。
• 该模型通过单一的类似DFSZ的轴子机制，在RNS框架内一致地解决了电弱层次问题与强CP问题。