[论文解读] SuperWIMP dark matter and 125 GeV Higgs boson in the minimal GMSB

Nobuchika Okada|arXiv (Cornell University)|May 25, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种最小规范介导的超对称性自发破缺（mGMSB）模型，其中引力子作为暗物质候选者，通过近似为中性ino的次轻粒子（NLSP）衰变非热生成。在固定 tanβ 和信息体数量（Nm）的条件下，该模型唯一确定了超对称谱，以同时实现125 GeV的希格斯玻色子和观测到的暗物质丰度，NLSP质量为1.5–2 TeV，引力子质量为3–7 GeV，自由程尺度约为0.1 Mpc，与暖暗物质约束一致。

ABSTRACT

Recently, both the ATLAS and CMS experiments have observed an excess of events that could be the first evidence for a 125 GeV Higgs boson. We investigate an implication of the CP-even Higgs boson with mass around 125 GeV in the context of the minimal gauge mediated supersymmetry breaking (mGMSB). In mGMSB, gravitino is the lightest sparticle (LSP) and hence the dark matter candidate. We consider the so-called superWIMP scenario where the dark matter gravitino is non-thermally produced by the decay of the next-to-LSP (NLSP) bino-like neutralino after its freeze-out. For a given $ an β$ and the number of the messengers ($N_m$) fixed, we find that the rest of the mGMSB parameters, the SUSY breaking parameter and the messenger scale, are completely fixed by the conditions of simultaneously realizing the observed dark matter abundance and the 125 GeV Higgs boson mass, leading to the NLSP neutralino mass around 1.5-2 TeV and the gravitino mass around 3-7 GeV, depending on the values of $ an β$ and $N_m$. The lifetime of the NLSP is found to be shorter than 1 sec, so that the success of the big bang nucleosynthesis remains intact. The non-thermally produced gravitino behaves as the warm dark matter with the free-streaming scale found to be $λ_{ m FS} \simeq 0.1$ Mpc, whose value is reasonable for observations of the power spectrum on both large and sub-galactic scales in the Universe.

研究动机与目标

• 将观测到的125 GeV希格斯玻色子质量与最小规范介导的超对称性自发破缺（mGMSB）框架相协调。
• 研究在mGMSB中，引力子通过NLSP衰变非热生成的超WIMP情景的可行性。
• 通过限制NLSP寿命，确保与大爆炸核合成（BBN）的一致性。
• 评估非热生成的引力子是否可作为自由程尺度与宇宙学观测相容的暖暗物质。

提出的方法

• 模型采用包含SU(5) GUT表示和SU(5)-不变质量项的最小信息体规范。
• 超对称性破缺通过规范相互作用介导，软质量由波函数归一化和阈值修正导出。
• 引力子质量通过公式 m_~G = MΛ/(√3 M_P) 计算，其中 M_P 为约化普朗克质量。
• NLSP中性ino通过 χ̃_B → γ + ~G 衰变，其寿命通过 τ_~B ≈ 0.74 秒 × (m_~G/1 GeV)^2 × (1 TeV/m_~B)^5 估算。
• 引力子的自由程尺度通过公式 λ_FS ≈ 2v₀t_EQ(1+z_EQ)^2 × log[√(1 + 1/(v₀²(1+z_EQ)²)) + 1/(v₀(1+z_EQ))], 计算，其中 v₀ ∝ (m_~B)^(-3/2)。
• 使用 SOFTSUSY 3.3.1 进行数值谱生成，输入参数为 M, Λ, tanβ, Nm 和 sign(μ)。

实验结果

研究问题

• RQ1 mGMSB模型能否同时实现125 GeV希格斯玻色子和正确的暗物质剩余密度？
• RQ2 为保持大爆炸核合成的成功，对NLSP寿命有何约束？
• RQ3 非热生成的引力子暗物质是否产生与暖暗物质理论相容的自由程尺度？
• RQ4 在 m_h = 125 GeV 和 Ω_~G h² = 0.112 两个条件下，超对称参数在多大程度上被唯一确定？

主要发现

• 在固定 tanβ 和 Nm 的条件下，mGMSB参数 M 和 Λ 由125 GeV希格斯玻色子和正确暗物质剩余密度的要求唯一确定。
• NLSP中性ino质量被限制在1.5–2 TeV之间，引力子质量被限制在3–7 GeV之间，具体取决于 tanβ 和 Nm。
• NLSP寿命小于1秒，确保与大爆炸核合成相容。
• 非热生成引力子的自由程尺度为 λ_FS ≈ 0.1 Mpc，与解决星系内结构问题的暖暗物质方案一致。
• 该模型生成了与所有现象学约束一致的超粒子谱，包括125 GeV希格斯玻色子和剩余密度。
• 结果在不同 tanβ 和 Nm 值下均保持稳健，谱完全由两个物理条件决定。