[论文解读] The long-lived stau as a thermal relic

Josef Pradler|ArXiv.org|Sep 18, 2009

Geomagnetism and Paleomagnetism Studies参考文献 209被引用 8

一句话总结

本文研究了在引力微子为最轻超对称粒子（LSP）的超对称模型中，长寿命 selectron（τ̃₁）的热重子丰度。文章识别出两种关键机制——selectron 通过 Higgs 玻色子衰变以及通过重 CP 偶 Higgs（H⁰）的 s-通道共振衰变——可将 selectron 的热重子产额降低至 10⁻¹⁵ 以下，从而避开由催化 ⁶Li 和 ⁹Be 合成带来的严格大爆炸核合成（BBN）约束。这使得即使在高达 10⁹ GeV 的再热温度下，引力微子暗物质情景在宇宙学上依然可行。

ABSTRACT

We consider physics beyond the Standard Model in which a long-lived electromagnetically charged massive particle species (CHAMP) appears. We discuss the unique sensitivity the early Universe exhibits on the mere presence and on the decay of such a particle. A CHAMP can be realized in supersymmetric extensions of the Standard Model. We carry out a detailed study of gravitino dark matter scenarios in which the lighter stau is the lightest Standard Model superpartner and thus the CHAMP. Particularly stringent constraints on the gravitino-stau scenario arise from the thermal catalysis of primordial nucleosynthesis reactions. This motivates a thorough investigation of the thermal freeze-out process of the long-lived stau. There, we show that even the most stringent cosmological constraints can potentially be evaded.

研究动机与目标

• 确定长寿命 selectron（τ̃₁）热重子丰度是否可足够降低以满足由催化 ⁶Li 和 ⁹Be 合成带来的严格大爆炸核合成（BBN）约束。
• 研究 selectron 通过 Higgs 玻色子衰变以及通过 H⁰ 交换的共振衰变如何抑制 τ̃₁ 的热重子产额。
• 评估在标准宇宙学历史和高再热温度下，具有长寿命 selectron NLSP 的引力微子暗物质情景的可行性。
• 识别可能的对撞机信号——如在 e⁺e⁻ 碰撞中产生 Higgs 辐射，或在 LHC 上产生 b̄bH⁰ 伴随过程——以检验所提出的 selectron-Higgs 耦合机制。
• 探讨约束性最小超对称标准模型（CMSSM）是否能同时容纳较小的 selectron 重子丰度与宇宙学上可行的暗物质。

提出的方法

• 采用 MSSM 的有效低能版本，系统研究 selectron 热重子产额对混合角 θτ̃ 和 Higgs sector 参数的依赖性。
• 求解完整的玻尔兹曼方程组，以模拟 selectron 从原初等离子体中化学解耦的过程。
• 计算通过 Higgs 交换（h⁰h⁰、h⁰H⁰、H⁰H⁰）的 selectron 衰变截面，以及通过重 CP 偶 Higgs 玻色子 H⁰ 的 s-通道共振衰变截面。
• 引入对带电强子在 BBN 期间的库仑停止与束缚态形成速率的精细化处理，以评估催化核合成效应。
• 评估由于负电荷 selectron（X⁻）在原初核合成期间催化作用导致的 ⁶Li 和 ⁹Be 过量生成所施加的约束。
• 评估未来对撞机测量（如 ILC 上的 Higgs 辐射，以及 LHC 上的 b̄bH⁰ 伴随产生）在实验上验证该机制的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 长寿命 selectron 的热重子丰度是否可被充分抑制以满足由催化 ⁶Li 和 ⁹Be 合成带来的 BBN 约束？
• RQ2 在 CMSSM 中，selectron–Higgs 耦合与 Higgs 交换如何影响 selectron 的热重子产额？
• RQ3 通过重 CP 偶 Higgs 玻色子 H⁰ 的共振 selectron 衰变在多大程度上降低了 selectron 重子丰度？
• RQ4 CMSSM 是否能同时容纳较小的 selectron 重子产额与与热轻子生成相容的高再热温度？
• RQ5 哪些对撞机信号可实验探测抑制 selectron 重子密度的 selectron–Higgs 耦合机制？

主要发现

• 通过 selectron 衰变为 Higgs 玻色子（h⁰h⁰、h⁰H⁰、H⁰H⁰）可将 selectron 热重子产额 Yτ̃₁dec 降低至 10⁻¹⁵ 以下，尤其在 tanβ 较大且 |μ| 或 Aτ 参数较大的区域尤为显著。
• 当 2mτ̃₁ ≈ mH⁰ 时，通过重 CP 偶 Higgs 玻色子 H⁰ 的 s-通道共振衰变也可使重子产额低于 10⁻¹⁵，类似于中性子 Higgs 幽灵机制。
• 这些抑制机制对 selectron 混合（θτ̃）和 Higgs sector 敏感，在 tanβ 较大及三线性耦合较强时效应显著。
• 在 CMSSM 中，两种抑制机制可在 (m₁/₂, m₀) 平面的不同区域同时使 Yτ̃₁dec ≈ 2×10⁻¹⁵。
• 极低的重子丰度使得即使在高达 10⁹ GeV 的再热温度下，引力微子暗物质情景在宇宙学上依然可行，且与热轻子生成相容。
• 未来对撞机如 ILC 和 LHC 可通过测量 e⁺e⁻ 碰撞中的 Higgs 辐射或 LHC 上的 b̄bH⁰ 伴随产生来探测该机制。