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

Sintesi Tecnica: I Blind Spot possono salvare la Materia Oscura Neutrale nel Modello della Supersimmetria Naturale?

Enunciato del Problema
I modelli di Supersimmetria (SUSY) Naturale, definiti dal requisito di un basso fine-tuning elettrodebole ($\Delta_{EW} \lesssim 30$), predicono un LSP (particella più leggera del settore supersimmetrico) di tipo higgsino-simile con una massa nell'intervallo $100-350$ GeV. Negli scenari che conservano la R-parità (RPC) in cui l'assione QCD risolve il problema della CP forte, l'abbondanza dell'higgsino-LSP è prevista essere solo una frazione ($\xi$) della densità totale di materia oscura (DM), con il resto costituito da assioni. Sebbene questa ridotta abbondanza ($\xi \sim 0.1$ per produzione termica) abbia precedentemente permesso agli WIMP di tipo higgsino di eludere i limiti di rilevamento indiretto, il recente esperimento LZ ha imposto vincoli stringenti sui tassi di rilevamento diretto (DD) spin-indipendenti (SI). Tali limiti escludono efficacemente gli WIMP leggeri di tipo higgsino, anche quando costituiscono solo la loro abbondanza prodotta termicamente.

La domanda centrale affrontata è se i "blind spot" (punti ciechi) — regioni nello spazio dei parametri in cui le cancellazioni nei accoppiamenti DD sopprimono i tassi di scattering — possano salvare la materia oscura stabile e leggera di tipo higgsino all'interno del framework della SUSY naturale. Nello specifico, gli autori investigano se i blind spot derivanti da modelli mediati dalla gravità con masse dei gaugino positive ($M_{1,2} > 0$) e un parametro di massa dell'higgsino negativo ($\mu < 0$) possano soddisfare i vincoli LZ pur mantenendo la naturalità.

Metodologia
Gli autori impiegano un approccio computazionale multi-faccettato per scansionare lo spazio dei parametri della SUSY naturale:

1. Generazione dello Spettro: Utilizzano Isajet 7.92 con Isasugra per calcolare lo spettro SUSY, incorporando correzioni a un loop per le masse delle sparticelle. Fondamentalmente, adottano valori corretti al loop per la massa del wino ($M_2$) e della massa dell'higgsino ($\mu$) nella matrice di massa dei chargini per garantire una precisione di circa l'1%.
2. Densità di Reliquia e Scattering: Il codice IsaReD (usando CalcHEP) calcola i processi di annichilazione e co-annichilazione dei neutralini per determinare la densità di reliquia prodotta termicamente ($\Omega_{\tilde{\chi}}^{TP} h^2$). I tassi di rilevamento diretto sono calcolati tramite IsaReS.
3. Scansioni del Modello:
   • Modelli NUHM2 e NUHM3: Gli autori analizzano prima il piano $\mu$ vs. $m_{1/2}$ per i modelli di Massa dell'Higgs Non Universale (NUHM2 e NUHM3). NUHM3 include generazioni scisse ($m_0(1,2) \gg m_0(3)$) per affrontare i problemi di sapore/CP della SUSY mantenendo però leggeri gli scalari della terza generazione.
   • Scansione Generale dei Parametri: Viene eseguita una scansione più ampia su un vasto intervallo di parametri ($m_0, m_{1/2}, A_0, \tan\beta, \mu, m_A$), includendo sia casi con $\mu > 0$ che $\mu < 0$.
4. Vincoli: Le scansioni sono vincolate da:
   • Naturalità: $\Delta_{EW} < 30$.
   • Massa dell'Higgs: $123 < m_h < 127$ GeV.
   • Limiti LHC: Limiti sulla produzione di coppie di gluino e top-squark, nonché ricerche di soft-dilepton per electroweakini di tipo higgsino-simile.
   • Rilevamento Diretto: I limiti LZ2025 su $\xi \sigma_{SI}$.

Contributi Chiave e Risultati
Il documento valuta sistematicamente la viabilità dei blind spot nel salvare la materia oscura higgsino naturale:

• Condizioni di Blind Spot: Lo studio si concentra sulla condizione di blind spot derivata da Cheung et al., che si fattorizza in termini coinvolgenti la massa del neutralino, $\mu$ e le masse dei gaugino. Per i modelli con $M_{1,2} > 0$, i blind spot richiedono generalmente $\mu < 0$.
• Analisi NUHM2 e NUHM3:
  • Nel modello NUHM2, esiste una stretta banda di punti "permessi" a piccoli valori negativi di $\mu$, dove l'LSP è quasi un puro higgsino, risultando in bassi tassi di DD. Tuttavia, questi punti si trovano al confine della regione naturale ($\Delta_{EW} \approx 30$) e sono probabilmente esclusi dalle ricerche LHC di soft-dilepton.
  • Un secondo blind spot esiste a grandi $|\mu|$ (regione non naturale) dove l'LSP è di tipo bino-simile. Questa regione è esplicitamente al di fuori del requisito di naturalità.
  • Nel modello NUHM3 (generazioni scisse), i minimi di rottura della carica e del colore (CCB) escludono gran parte dello spazio dei parametri a bassa $m_{1/2}$. Sebbene i blind spot permettano la sopravvivenza ai limiti LZ a piccoli e grandi $|\mu|$, nessuna regione con $\Delta_{EW} < 30$ sopravvive ai vincoli combinati.
• Risultati della Scansione Generale:
  • $\mu > 0$: Tutti i punti con $\mu > 0$ sono esclusi dai limiti LZ perché la condizione di segno per i blind spot ($\text{sign}(M_i/\mu) = -1$) non può essere soddisfatta.
  • $\mu < 0$: Una banda di punti di blind spot sopravvive ai limiti LZ ma è prevalentemente nella regione non naturale ($\Delta_{EW} > 30$).
  • Candidati Naturali ($\mu < 0, \Delta_{EW} < 30$): Alcuni punti blu nella scansione generale sopravvivono ai limiti termici WIMP di LZ mantenendo la naturalità. Tuttavia, questi sono successivamente esclusi da:
    1. Ricerche LHC di Soft-Dilepton: I punti con $m_{\tilde{\chi}} \lesssim 200$ GeV sono esclusi dai limiti ATLAS/CMS sulla produzione di coppie di higgsini che decadono in soft-dilepton.
    2. Vincolo della Massa dell'Higgs: I punti con $m_{\tilde{\chi}} \gtrsim 200$ GeV che sopravvivono ai limiti LHC falliscono nel riprodurre la massa misurata dell'Higgs ($m_h < 123$ GeV). Ciò accade perché il blind spot naturale per gli higgsini richiede $\tan\beta \sim 1$, il che supprime le correzioni radiative necessarie per elevare $m_h$ a 125 GeV.

Significato e Conclusioni
Gli autori concludono che, all'interno del framework della SUSY naturale RPC con neutralini prodotti termicamente, i blind spot del rilevamento diretto non possono salvare la materia oscura higgsino leggera e stabile dai forti vincoli LZ. I pochi candidati naturali superstiti sono eliminati da una combinazione di ricerche LHC di soft-dilepton e della massa misurata dell'Higgs.

Il documento suggerisce che il fallimento dei blind spot nel salvare gli WIMP higgsino leggeri punta verso paradigmi alternativi:

1. WIMP Instabili: Modelli in cui gli higgsini leggeri decadono prima della Nucleosintesi Primordiale (BBN) tramite operatori che violano la R-parità (RPV) (ad esempio, generati tramite il meccanismo Kim-Nilles) sono favoriti. In tali scenari, la materia oscura potrebbe consistere interamente in assioni o in una componente mista assione/assino, bypassando interamente i vincoli di rilevamento diretto.
2. Diluizione dell'Entropia: Uno scenario che prevede una grande diluizione dell'entropia da parte di saxioni o moduli a decadimento tardivo potrebbe ridurre l'abbondanza dei neutralini al di sotto delle aspettative termiche, sebbene ciò richieda condizioni specifiche sulla durata di vita di tali campi per evitare i vincoli della BBN.

In definitiva, il lavoro rafforza la tensione tra naturalità, massa dell'Higgs e limiti di rilevamento diretto, suggerendo che la materia oscura higgsino leggera e stabile nella sua forma più semplice e naturale è sfavorita.