[论文解读] Uncertainties in Relic Density Calculations in mSUGRA

B. C. Allanach, G. Bélanger+3 more|ArXiv.org|Feb 16, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文使用四款公开的RGE代码（Isajet、SOFTSUSY、SPHENO、Suspect）与micrOMEGAs联用，研究了在mSUGRA模型中中性子遗迹密度计算的理论不确定性。研究发现，在关键的宇宙学相关区域（焦点点、大tanβ、共湮灭），遗迹密度预测存在高达两倍的差异，主要源于顶夸克和底夸克质量的敏感性以及RGE实现方式的差异，尽管在布质区域结果稳定。

ABSTRACT

We compare the relic density of neutralino dark matter within the minimal supergravity model (mSUGRA) using four different public codes for supersymmetric spectra evaluation. While the predictions for the relic density of neutralinos are rather stable in most of the mSUGRA space, it is in the most physically interesting regions that large discrepancies can be observed, in particular the focus point, large tan beta and coannihilation regions.

研究动机与目标

• 量化mSUGRA模型中由于不同RGE代码实现方式而引起的中性子遗迹密度预测的理论不确定性。
• 评估输入参数（尤其是顶夸克和底夸克质量）变化对宇宙学相关mSUGRA区域中遗迹密度计算的影响。
• 评估与micrOMEGAs联用的先进公开RGE代码（Isajet、SOFTSUSY、SPHENO、Suspect）在遗迹密度预测上的一致性。
• 识别差异最大的参数空间区域，特别是焦点点、大tanβ和共湮灭区域。
• 确定遗迹密度差异是否源于谱计算的差异，或源于RGE演化中对标准模型参数的固有敏感性。

提出的方法

• 使用四款公开的RGE代码——Isajet7.69、SOFTSUSY1.8.3、SPHENO2.20和Suspect2.2——计算mSUGRA模型中的超对称谱。
• 通过SUSY Les Houches协定将谱与micrOMEGAs1.2连接，以计算树幅阶湮灭截面和遗迹密度。
• 计算中包含了重要辐射修正，如Δmb修正，并使用一致的输入参数：mt = 175 GeV，αs(MZ) = 0.1172，mb(mb) = 4.16 GeV。
• 在三个关键区域（共湮灭、焦点点、大tanβ）中，对固定mSUGRA参数，比较不同代码计算的遗迹密度Ωh²。
• 通过改变顶夸克质量（mt）和底夸克质量（mb）进行敏感性研究，以隔离其对遗迹密度预测的影响。
• 结果以mSUGRA参数（如M1/2、M0）和质量差（如mτ̃1 − mχ̃1⁰）为函数进行绘制，以评估不同代码间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同RGE代码（Isajet、SOFTSUSY、SPHENO、Suspect）在mSUGRA模型中预测中性子遗迹密度方面表现如何？
• RQ2 在焦点点、大tanβ和共湮灭区域，这些代码之间的遗迹密度预测差异有多大？
• RQ3 这些差异在多大程度上由RGE代码中使用的顶夸克和底夸克质量的不确定性引起？
• RQ4 当以LSP与NLSP之间的质量差为函数绘制遗迹密度预测时，特别是在共湮灭区域，预测结果如何变化？
• RQ5 观测到的遗迹密度差异是否可归因于μ参数或希格斯 sector 参数在RGE演化中的差异？

主要发现

• 在共湮灭区域（M₀ = 150 GeV，tanβ = 10），SPHENO2.20与SOFTSUSY1.8.3之间的遗迹密度差异达到两倍，且达到Ωh² < 0.128所需M₁/₂的差异达12%。
• 在焦点点区域（M₁/₂ = 300 GeV，M₀ > 1 TeV），SOFTSUSY1.8.3与SPHENO2.20未能复现Isajet7.69在M₀ ≈ 3 TeV时μ参数和遗迹密度的下降趋势，导致Ωh²出现显著差异。
• 在大tanβ区域（tanβ = 52），SPHENO2.20预测在M₁/₂ ≈ 1250 GeV时出现遗迹密度下降，而Isajet7.69预测则出现在M₁/₂ ≈ 1750 GeV，表明共振位置存在显著的代码依赖性偏移。
• 当底夸克质量（mb(mb)）从4.0 GeV变化至4.4 GeV时，SOFTSUSY1.8.3在M₁/₂ = 1300 GeV处的Ωh²出现数量级的改变，凸显其对mb输入的极端敏感性。
• 当mb(mb)调整为4.16 GeV时，SPHENO2.20与SOFTSUSY1.8.3在遗迹密度预测上达成一致，表明通过调整输入参数可消除差异。
• 最大的差异恰好出现在最物理上有趣的区域——焦点点、大tanβ和共湮灭区域，这些区域的遗迹密度受WMAP宇宙学约束，而布质区域则在各代码间表现出良好一致性。