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

Technische Samenvatting: Kunnen Blind Spots Neutrale Donkere Materie Redden in Natuurlijke Supersymmetrie Modellen?

Probleemstelling
Natuurlijke Supersymmetrie (SUSY) modellen, gedefinieerd door de eis van lage elektrozwakke fijninstelling ($\Delta_{EW} \lesssim 30$), voorspellen een lichte higgsino-achtige lichtste supersymmetrische deeltje (LSP) met een massa in het bereik van $100-350$ GeV. In R-pariteit behoudende (RPC) scenario's waar de QCD-axion het sterke CP-probleem oplost, wordt verwacht dat de higgsino-achtige WIMP slechts een fractie ($\xi$) van de totale donkere materie (DM) dichtheid vormt, waarbij de rest uit axionen bestaat. Terwijl deze gereduceerde abundantie ($\xi \sim 0.1$ voor thermische productie) voorheen de higgsino-achtige WIMPs in staat stelde om indirecte detectielimieten te omzeilen, hebben de recente LZ-experimenten strikte beperkingen opgelegd aan spin-onafhankelijke (SI) directe detectie (DD) rates. Deze limieten sluiten effectief lichte higgsino-achtige WIMPs uit, zelfs wanneer zij slechts hun thermisch geproduceerde abundantie vertegenwoordigen.

De centrale vraag die wordt behandeld is of "blind spots"—regio's in de parameterruimte waar cancellaties in DD-koppelingen de verstrooiingssnelheden onderdrukken—lichte, stabiele higgsino donkere materie binnen het natuurlijke SUSY-kader kunnen redden. Specifiek onderzoeken de auteurs of blind spots die voortkomen uit zwaartekracht-gemedieerde modellen met positieve gaugino-massa's ($M_{1,2} > 0$) en een negatieve higgsino-massa-parameter ($\mu < 0$) aan de LZ-beperkingen kunnen voldoen terwijl de natuurlijkheid behouden blijft.

Methodologie
De auteurs maken gebruik van een veelzijdige computationele aanpak om de parameterruimte van natuurlijke SUSY te scannen:

1. Spectrumgeneratie: Zij gebruiken Isajet 7.92 met Isasugra om het SUSY-spectrum te berekenen, waarbij rekening wordt gehouden met één-lus correcties voor sparticle-massa's. Cruciaal is dat zij loop-gecorrigeerde waarden voor de wino-massa ($M_2$) en de higgsino-massa ($\mu$) in de chargino-massa-matrix hanteren om een precisie van $\sim 1\%$ te garanderen.
2. Relict Dichtheid en Verstrooiing: De IsaReD code (met gebruik van CalcHEP) berekent de neutralino-annihilatie en co-annihilatie processen om de thermisch geproduceerde relict dichtheid ($\Omega_{\tilde{\chi}}^{TP} h^2$) te bepalen. Directe detectie rates worden berekend met behulp van IsaReS.
3. Model Scans:
   • NUHM2 en NUHM3 Modellen: De auteurs analyseren eerst de $\mu$ vs. $m_{1/2}$ vlak van Non-Universele Higgs Massa modellen (NUHM2 en NUHM3). NUHM3 bevat gesplitste generaties ($m_0(1,2) \gg m_0(3)$) om SUSY flavor/CP-problemen aan te pakken terwijl de derde generatie scalairen licht blijven.
   • Algemene Parameterrscan: Een bredere scan wordt uitgevoerd over een groot bereik van parameters ($m_0, m_{1/2}, A_0, \tan\beta, \mu, m_A$) inclusief zowel $\mu > 0$ als $\mu < 0$ gevallen.
4. Beperkingen: De scans worden begrensd door:
   • Natuurlijkheid: $\Delta_{EW} < 30$.
   • Higgs Massa: $123 < m_h < 127$ GeV.
   • LHC Limieten: Gluino en top-squark paarproductie limieten, evenals soft-dilepton zoekopdrachten naar highsino-achtige electroweakino's.
   • Directe Detectie: De LZ2025 limieten op $\xi \sigma_{SI}$.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten
Het artikel evalueert systematisch de levensvatbaarheid van blind spots bij het redden van natuurlijke highsino donkere materie:

• Blind Spot Condities: De studie richt zich op de blind spot conditie afgeleid door Cheung et al., die kan worden gefactoreerd in termen die de neutralino massa, $\mu$, en gaugino-massa's bevatten. Voor modellen met $M_{1,2} > 0$, vereisen blind spots over het algemeen $\mu < 0$.
• NUHM2 en NUHM3 Analyse:
  • In het NUHM2 model bestaat er een smalle band van "toegestane" punten bij een kleine negatieve $\mu$ waar de LSP bijna een pure highsino is, wat resulteert in lage DD-rates. Echter, deze punten liggen op de grens van de natuurlijke regio ($\Delta_{EW} \approx 30$) en worden waarschijnlijk uitgesloten door LHC soft-dilepton zoekopdrachten.
  • Een tweede blind spot bestaat bij grote $|\mu|$ (onnatuurlijke regio) waar de LSP bino-achtig is. Deze regio ligt expliciet buiten de vereiste van natuurlijkheid.
  • In het NUHM3 model (gesplitste generaties) sluiten charge-and-color-breaking (CCB) minima grote delen van de lage $m_{1/2}$ parameterruimte uit. Hoewel blind spots overleving tegen LZ-limieten mogelijk maken bij kleine en grote $|\mu|$, overleeft geen enkel gebied met $\Delta_{EW} < 30$ de gecombineerde beperkingen.
• Resultaten Algemene Scan:
  • $\mu > 0$: Alle punten met $\mu > 0$ worden uitgesloten door LZ-limieten omdat de tekenconditie voor blind spots ($\text{sign}(M_i/\mu) = -1$) niet kan worden voldaan.
  • $\mu < 0$: Een band van blind spot punten overleeft de LZ-limieten, maar bevindt zich voornamelijk in de onnatuurlijke regio ($\Delta_{EW} > 30$).
  • Natuurlijke Kandidaten ($\mu < 0, \Delta_{EW} < 30$): Een paar blauwe punten in de algemene scan overleven de LZ thermische WIMP-bounds terwijl zij de natuurlijkheid behouden. Echter, deze worden vervolgens uitgesloten door:
    1. LHC Soft-Dilepton Zoekopdrachten: Punten met $m_{\tilde{\chi}} \lesssim 200$ GeV worden uitgesloten door ATLAS/CMS limieten op highsino paarproductie die vervalt naar soft dileptons.
    2. Higgs Massa Beperking: Punten met $m_{\tilde{\chi}} \gtrsim 200$ GeV die de LHC-limieten overleven, slagen er niet in de gemeten Higgs massa te reproduceren ($m_h < 123$ GeV). Dit gebeurt omdat de natuurlijke blind spot voor highsino's $\tan\beta \sim 1$ vereist, wat de radiatieve correcties onderdrukt die nodig zijn om $m_h$ naar 125 GeV te tillen.

Betekenis en Conclusies
De auteurs concluderen dat binnen het kader van RPC natuurlijke SUSY met thermisch geproduceerde neutralino's, directe detectie blind spots de stabiele lichte highsino donkere materie niet kunnen redden van de sterke LZ-bounds. De weinige overlevende natuurlijke kandidaten worden geëlimineerd door een combinatie van LHC soft-dilepton zoekopdrachten en de gemeten Higgs massa.

Het artikel suggereert dat het falen van blind spots om natuurlijke highsino WIMPs te redden wijst op alternatieve paradigma's:

1. Onstabiele WIMPs: Modellen waarbij lichte highsino's vervallen vóór de Big Bang Nucleosynthesis (BBN) via R-pariteit schendende (RPV) operatoren (bijv. gegenereerd via het Kim-Nilles mechanisme) zijn bevoordeeld. In dergelijke scenario's zou de donkere materie volledig uit axionen of een gemengde axion/axino component kunnen bestaan, waardoor directe detectie beperkingen volledig worden omzeild.
2. Entropie Dilutie: Een scenario met grote entropie dilutie van laat vervallende saxionen of moduli zou de neutralino abundantie onder de thermische verwachtingen kunnen reduceren, hoewel dit specifieke condities vereist over de levensduur van deze velden om BBN-beperkingen te vermijden.

Uiteindelijk versterkt dit werk de spanning tussen natuurlijkheid, de Higgs massa en directe detectie limieten, wat suggereert dat stabiele, lichte highsino donkere materie in haar eenvoudigste natuurlijke vorm gedisfaviseerd is.