Can blind spots save neutralino dark matter in natural supersymmetry models?

Resumen Técnico: ¿Pueden los puntos ciegos salvar la materia oscura de neutralinos en modelos de Supersimetría Natural?

Planteamiento del problema
Los modelos de Supersimetría (SUSY) Natural, definidos por el requisito de una baja afinación electrodébil ($\Delta_{EW} \lesssim 30$), predicen un LSP (partícula más ligera estable) de tipo higgsino ligero con una masa en el rango de $100-350$ GeV. En escenarios que preservan la paridad R (RPC) donde el axión de QCD resuelve el problema CP fuerte, se espera que el LSP tipo higgsino constituya solo una fracción ($\xi$) de la densidad total de materia oscura (DM), siendo el resto axiones. Si bien esta abundancia reducida ($\xi \sim 0.1$ para producción térmica) permitió anteriormente que los WIMPs tipo higgsino evadieran los límites de detección indirecta, el reciente experimento LZ ha impuesto restricciones estrictas sobre las tasas de detección directa (DD) de espín independiente (SI). Estos límites excluyen efectivamente a los WIMPs ligeros tipo higgsino, incluso cuando comprenden solo su abundancia producida térmicamente.

La cuestión central abordada es si los "puntos ciegos" (blind spots) —regiones en el espacio de parámetros donde las cancelaciones en los acoplamientos de DD suprimen las tasas de dispersión— pueden rescatar la materia oscura de higgsino estable dentro del marco de la SUSY natural. Específicamente, los autores investigan si los puntos ciegos que surgen en modelos mediados por la gravedad con masas de gauginos positivas ($M_{1,2} > 0$) y un parámetro de masa de higgsino negativo ($\mu < 0$) pueden satisfacer las restricciones de LZ manteniendo la naturalidad.

Metodología
Los autores emplean un enfoque computacional multifacético para escanear el espacio de parámetros de la SUSY natural:

1. Generación del espectro: Utilizan Isajet 7.92 con Isasugra para calcular el espectro de la SUSY, incorporando correcciones de un bucle para las masas de las partículas supersimétricas. Crucialmente, adoptan valores corregidos por bucles para la masa del wino ($M_2$) y la masa del higgsino ($\mu$) en la matriz de masa de los carginos para asegurar una precisión de $\sim 1\%$.
2. Densidad de reliquia y dispersión: El código IsaReD (usando CalcHEP) calcula los procesos de aniquilación y co-aniquilación de neutralinos para determinar la densidad de reliquia producida térmicamente ($\Omega_{\tilde{\chi}}^{TP} h^2$). Las tasas de detección directa se computan utilizando IsaReS.
3. Escaneos de modelos:
   • Modelos NUHM2 y NUHM3: Los autores analizan primero el plano $\mu$ vs. $m_{1/2}$ para modelos de Masas de Higgs No Universales (NUHM2 y NUHM3). NUHM3 incluye generaciones divididas ($m_0(1,2) \gg m_0(3)$) para abordar los problemas de sabor/CP de la SUSY manteniendo los escalares de tercera generación ligeros.
   • Escaneo de parámetros generales: Se realiza un escaneo más amplio sobre un rango de parámetros ($m_0, m_{1/2}, A_0, \tan\beta, \mu, m_A$) incluyendo tanto casos con $\mu > 0$ como $\mu < 0$.
4. Restricciones: Los escaneos están limitados por:
   • Naturalidad: $\Delta_{EW} < 30$.
   • Masa del Higgs: $123 < m_h < 127$ GeV.
   • Límites del LHC: Límites de producción de pares de gluinos y top-squarks, así como búsquedas de dileptones blandos (soft-dileptons) para electroweakinos tipo higgsino.
   • Detección directa: Los límites de LZ2025 sobre $\xi \sigma_{SI}$.

Contribuciones clave y resultados
El artículo evalúa sistemáticamente la viabilidad de los puntos ciegos para salvar la materia oscura de higgsino natural:

• Condiciones de los puntos ciegos: El estudio se centra en la condición de punto ciego derivada por Cheung et al., que se factoriza en términos que involucran la masa del neutralino, $\mu$ y las masas de los gauginos. Para modelos con $M_{1,2} > 0$, los puntos ciegos generalmente requieren $\mu < 0$.
• Análisis de NUHM2 y NUHM3:
  • En el modelo NUHM2, existe una estrecha banda de puntos "permitidos" en $\mu$ negativos pequeños donde el LSP es casi un higgsino puro, lo que resulta en bajas tasas de DD. Sin embargo, estos puntos se encuentran en el límite de la región natural ($\Delta_{EW} \approx 30$) y probablemente están excluidos por las búsquedas de dileptones blandos del LHC.
  • Existe un segundo punto ciego en $|\mu|$ grande (región no natural) donde el LSP es tipo bino. Esta región está explícitamente fuera del requisito de naturalidad.
  • En el modelo NUHM3 (generaciones divididas), los mínimos de ruptura de carga y color (CCB) excluyen gran parte del espacio de parámetros de bajo $m_{1/2}$. Aunque los puntos ciegos permiten la supervivencia frente a los límites de LZ en $|\mu|$ pequeño y grande, ninguna región con $\Delta_{EW} < 30$ sobrevive a las restricciones combinadas.
• Resultados del escaneo general:
  • $\mu > 0$: Todos los puntos con $\mu > 0$ están excluidos por los límites de LZ porque no se puede cumplir la condición de signo para los puntos ciegos ($\text{sign}(M_i/\mu) = -1$).
  • $\mu < 0$: Una banda de puntos de puntos ciegos sobrevive a los límites de LZ pero se encuentra predominantemente en la región no natural ($\Delta_{EW} > 30$).
  • Candidatos naturales ($\mu < 0, \Delta_{EW} < 30$): Unos pocos puntos azules en el escaneo general sobreviven a los límites térmicos de WIMP de LZ manteniendo la naturalidad. Sin embargo, estos son excluidos posteriormente por:
    1. Búsquedas de dileptones blandos del LHC: Los puntos con $m_{\tilde{\chi}} \lesssim 200$ GeV están descartados por los límites de ATLAS/CMS sobre la producción de pares de higgsinos que decaen a dileptones blandos.
    2. Restricción de la masa del Higgs: Los puntos con $m_{\tilde{\chi}} \gtrsim 200$ GeV que sobreviven a los límites del LHC no logran reproducir la masa medida del Higgs ($m_h < 123$ GeV). Esto ocurre porque el punto ciego natural para los higgsinos requiere $\tan\beta \sim 1$, lo que suprime las correcciones radiativas necesarias para elevar $m_h$ a 125 GeV.

Significado y conclusiones
Los autores concluyen que, dentro del marco de la SUSY natural con paridad R conservada (RPC) y neutralinos producidos térmicamente, los puntos ciegos de detección directa no pueden salvar la materia oscura de higgsino ligero estable de los fuertes límites de LZ. Los pocos candidatos naturales que sobreviven son eliminados por una combinación de búsquedas de dileptones blandos del LHC y la masa medida del Higgs.

El artículo sugiere que el fracaso de los puntos ciegos para salvar a los WIMPs tipo higgsino ligeros apunta hacia paradigmas alternativos:

1. WIMPs inestables: Se favorecen los modelos donde los higgsino ligeros decaen antes de la Nucleosíntesis del Big Bang (BBN) mediante operadores que violan la paridad R (por ejemplo, generados mediante el mecanismo de Kim-Nilles). En estos escenarios, la materia oscura podría consistir enteramente en axiones o en un componente mixto de axión/axino, evitando por completo las restricciones de detección directa.
2. Dilución de entropía: Un escenario que involucre una gran dilución de entropía de saxiones o moduli de decaimiento tardío podría reducir la abundancia de neutralinos por debajo de las expectativas térmicas, aunque esto requiere condiciones específicas sobre la vida media de estos campos para evitar las restricciones de la BBN.

En última instancia, este trabajo refuerza la tensión entre la naturalidad, la masa del Higgs y los límites de detección directa, sugiriendo que la materia oscura de higgsino ligero estable en su forma más simple de SUSY natural está desfavorecida.