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

Résumé technique : Les points aveugles peuvent-ils sauver la matière noire neutrinique dans les modèles de la supersymétrie naturelle ?

Énoncé du problème
Les modèles de la supersymétrie (SUSY) naturelle, définis par l'exigence d'un faible ajustement fin électrofaible ($\Delta_{EW} \lesssim 30$), prédisent un LSP (particule la plus légère) de type higgsino léger avec une masse comprise dans la plage de $100-350$ GeV. Dans les scénarios conservant la R-parité (RPC) où l'axion QCD résout le problème CP fort, l'abondance de l'higgsino est supposée ne constituer qu'une fraction ($\xi$) de la densité totale de matière noire (DM), le reste étant composé d'axions. Bien que cette abondance réduite ($\xi \sim 0,1$ pour une production thermique) ait précédemment permis aux higgsino-WIMPs de contourner les limites de détection indirecte, l'expérience récente LZ a imposé des contraintes strictes sur les taux de détection directe (DD) indépendants du spin (SI). Ces limites excluent efficacement les WIMPs de type higgsino légers, même lorsqu'ils ne représentent que leur abondance produite thermiquement.

La question centrale abordée est de savoir si les « points aveugles » (blind spots) — des régions de l'espace des paramètres où des annulations dans les couplages de DD suppriment les taux de diffusion — peuvent sauver la matière noire stable de type higgsino léger au sein du cadre de la SUSY naturelle. Plus précisément, les auteurs examinent si les points aveugles issus de modèles à médiation gravitationnelle avec des masses de gauginos positives ($M_{1,2} > 0$) et un paramètre de masse d'higgsino négatif ($\mu < 0$) peuvent satisfaire les contraintes de LZ tout en maintenant la naturalité.

Méthodologie
Les auteurs emploient une approche computationnelle multidimensionnelle pour balayer l'espace des paramètres de la SUSY naturelle :

1. Génération du spectre : Ils utilisent Isajet 7.92 avec Isasugra pour calculer le spectre SUSY, en incorporant des corrections à une boucle pour les masses des sparticules. Crucialement, ils adoptent des valeurs corrigées par une boucle pour la masse du wino ($M_2$) et la masse de l'higgsino ($\mu$) dans la matrice de masse des charginos afin d'assurer une précision de l'ordre de $\sim 1\%$.
2. Densité de relique et diffusion : Le code IsaReD (utilisant CalcHEP) calcule les processus d'annihilation et de co-annihilation des neutralinos pour déterminer la densité de relique produite thermiquement ($\Omega_{\tilde{\chi}}^{TP} h^2$). Les taux de détection directe sont calculés via IsaReS.
3. Balayages de modèles :
   • Modèles NUHM2 et NUHM3 : Les auteurs analysent d'abord le plan $\mu$ vs $m_{1/2}$ pour les modèles de masses d'Higgs non universelles (NUHM2 et NUHM3). Le modèle NUHM3 inclut des générations divisées ($m_0(1,2) \gg m_0(3)$) pour traiter les problèmes de saveur/CP de la SUSY tout en gardant les scalaires de la troisième génération légers.
   • Balayage général des paramètres : Un balayage plus large est effectué sur une large gamme de paramètres ($m_0, m_{1/2}, A_0, \tan\beta, \mu, m_A$) incluant à la fois les cas $\mu > 0$ et $\mu < 0$.
4. Contraintes : Les balayages sont contraints par :
   • Naturalité : $\Delta_{EW} < 30$.
   • Masse du Higgs : $123 < m_h < 127$ GeV.
   • Limites du LHC : Limites de production de paires de gluinos et de top-squarks, ainsi que les recherches de dileptons mous pour les electroweakinos de type higgsino.
   • Détection directe : Les limites LZ2025 sur $\xi \sigma_{SI}$.

Contributions clés et résultats
L'article évalue systématiquement la viabilité des points aveugles pour sauver la matière noire higgsino naturelle :

• Conditions de point aveugle : L'étude se concentre sur la condition de point aveugle dérivée par Cheung et al., qui se factorise en termes impliquant la masse du neutralino, $\mu$, et les masses des gauginos. Pour les modèles avec $M_{1,2} > 0$, les points aveugles nécessitent généralement $\mu < 0$.
• Analyse NUHM2 et NUHM3 :
  • Dans le modèle NUHM2, une étroite bande de points « autorisés » existe à faible $\mu$ négatif, où le LSP est un higgsino presque pur, entraînant de faibles taux de DD. Cependant, ces points se situent à la limite de la région naturelle ($\Delta_{EW} \approx 30$) et sont probablement exclus par les recherches de dileptons mous du LHC.
  • Un second point aveugle existe à grand $|\mu|$ (région non naturelle) où le LSP est de type bino. Cette région est explicitement en dehors de l'exigence de naturalité.
  • Dans le modèle NUHM3 (générations divisées), des minima de rupture de charge et de couleur (CCB) excluent de larges portions de l'espace des paramètres à faible $m_{1/2}$. Bien que les points aveugles permettent la survie face aux limites de LZ à petit et grand $|\mu|$, aucune région avec $\Delta_{EW} < 30$ ne survit aux contraintes combinées.
• Résultats du balayage général :
  • $\mu > 0$ : Tous les points avec $\mu > 0$ sont exclus par les limites de LZ car la condition de signe pour les points aveugles ($\text{sign}(M_i/\mu) = -1$) ne peut être satisfaite.
  • $\mu < 0$ : Une bande de points aveugles survit aux limites de LZ mais se situe principalement dans la région non naturelle ($\Delta_{EW} > 30$).
  • Candidats naturels ($\mu < 0, \Delta_{EW} < 30$) : Quelques points bleus du balayage général survivent aux limites de WIMP thermique de LZ tout en maintenant la naturalité. Cependant, ceux-ci sont ultérieurement exclus par :
    1. Les recherches de dileptons mous du LHC : Les points avec $m_{\tilde{\chi}} \lesssim 200$ GeV sont éliminés par les limites ATLAS/CMS sur la production de paires d'higgsinos se désintégrant en dileptons mous.
    2. La contrainte de masse du Higgs : Les points avec $m_{\tilde{\chi} \gtrsim 200}$ GeV qui survivent aux limites du LHC ne parviennent pas à reproduire la masse mesurée du Higgs ($m_h < 123$ GeV). Cela se produit car le point aveugle naturel pour les higgsino nécessite $\tan\beta \sim 1$, ce qui supprime les corrections radiatives nécessaires pour élever $m_h$ à 125 GeV.

Signification et conclusions
Les auteurs concluent que, dans le cadre de la SUSY naturelle avec conservation de la R-parité et des neutralinos produits thermiquement, les points aveugles de détection directe ne peuvent pas sauver la matière noire de type higgsino légère et stable face aux fortes limites de LZ. Les rares candidats naturels survivants sont éliminés par une combinaison des recherches de dileptons mous du LHC et de la masse du Higgs mesurée.

L'article suggère que l'échec des points aveugles à sauver les WIMPs de type higgsino naturels pointe vers des paradigmes alternatifs :

1. WIMPs instables : Les modèles où les higgsino légers se désintègrent avant la nucléosynthèse primordiale (BBN) via des opérateurs de violation de la R-parité (RPV) (par exemple, générés via le mécanisme de Kim-Nilles) sont privilégiés. Dans ces scénarios, la matière noire pourrait être entièrement composée d'axions ou d'un composant mixte axion/axino, contournant entièrement les contraintes de détection directe.
2. Dilution par l'entropie : Un scénario impliquant une grande dilution d'entropie provenant de saxions ou de moduli à désintégration tardive pourrait réduire l'abondance de la particule en dessous des attentes thermiques, bien que cela nécessite des conditions spécifiques sur les durées de vie de ces champs pour éviter les contraintes de la BBN.

En fin de compte, ce travail renforce la tension entre la naturalité, la masse du Higgs et les limites de détection directe, suggérant que la matière noire de type higgsino stable et légère, dans sa forme la plus simple, est défavorisée.