[论文解读] Testing PQ-Symmetric NMSSM With Light Singlino Dark Matter

Qiurong Mou, Sibo Zheng|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文检验了一个具有轻型单态费米子型暗物质候选者（1–10 GeV）的Peccei-Quinn对称性下一个一最小超对称标准模型（NMSSM）。通过解析计算与数值扫描，表明该暗物质情景被Υ衰变、LEP Z-门户搜索以及LHC希格斯玻色子不可见衰变数据的联合约束所排除。

ABSTRACT

As a solid scenario to address the naturalness the Next-to-Minimal supersymmtric standard model retains the unification of standard model gauge couplings. In this paper we test this model from the viewpoint of dark matter. In particular, we are interested in a light singlino-like dark matter with mass of order $1-10$ GeV which arises from an approximate Peccei-Quinn symmetry. In terms of analytic calculations as well as numerical scans, we show that this type of dark matter is totally excluded by the combination of $\Upsilon$ decay, $Z$-portal experiments at LEP, and the latest data on Higgs invisible decay at the LHC.

研究动机与目标

• 研究质量为1–10 GeV的轻型单态费米子型暗物质候选者在PQ对称性NMSSM中的可行性。
• 评估此类暗物质候选者是否能与现有实验约束保持一致。
• 测试该模型与Υ衰变、LEP Z-门户搜索以及LHC希格斯玻色子不可见衰变数据的精确测量结果的兼容性。
• 确定NMSSM中近似Peccei-Quinn对称性是否能自然地允许轻型暗物质态，且不与当前观测结果冲突。

提出的方法

• 通过解析计算推导PQ对称性NMSSM中单态费米子-希格斯玻色子和单态费米子-费米子耦合的约束条件。
• 在模型参数空间中进行数值扫描，以探索与规范耦合统一和自然性一致的可行区域。
• 应用Υ(1S,2S,3S)衰变的约束，通过不可见衰变限制单态费米子-费米子耦合。
• 整合LEP实验对Z玻色子不可见衰变的限制，以约束Z-门户通道中的单态费米子-费米子耦合。
• 利用最新的LHC数据对希格斯玻色子不可见衰变进行分析，进一步限制单态费米子-希格斯玻色子耦合以及单态费米子的遗迹密度。
• 综合三种实验约束，以检验轻型单态费米子暗物质情景的整体可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在满足所有当前实验约束的前提下，质量为1–10 GeV的轻型单态费米子型暗物质候选者是否能与PQ对称性NMSSM相容？
• RQ2 Υ衰变在多大程度上限制了PQ对称性NMSSM中单态费米子-费米子耦合？
• RQ3 LEP Z-门户搜索如何限制轻型单态费米子暗物质情景的参数空间？
• RQ4 最新的LHC希格斯玻色子不可见衰变数据对轻型单态费米子暗物质模型的可行性有何影响？
• RQ5 Υ衰变、LEP Z-门户和LHC希格斯玻色子不可见衰变约束的组合是否足以排除轻型单态费米子暗物质整个参数空间？

主要发现

• 质量为1–10 GeV的轻型单态费米子型暗物质候选者被Υ衰变、LEP Z-门户实验和LHC希格斯玻色子不可见衰变数据的联合约束完全排除。
• 仅Υ衰变的约束已强烈限制单态费米子-费米子耦合，排除了参数空间的显著部分。
• LEP Z-门户搜索对单态费米子-费米子耦合提供了严格的限制，尤其在1–10 GeV质量范围内。
• LHC希格斯玻色子不可见衰变数据进一步限制了单态费米子-希格斯玻色子耦合，缩小了允许的参数空间。
• 在同时应用所有三种实验约束后，参数空间中没有任何可行区域得以保留。
• 三种约束的组合完全排除了PQ对称性NMSSM中所有轻型单态费米子暗物质情景。