Higgsino dark matter in the Starobinsky supergravity with the MSSM in light of the LUX-ZEPLIN event
本文提出了一种在耦合了 Starobinsky 超引力的最小超对称标准模型（MSSM）中，具有近乎纯净的 1 TeV 希格斯粒子（higgsino）暗物质候选者，证明了该模型预测的希格斯玻色子质量在考虑到近期 LUX-ZEPLIN 事件的情况下，与由 bino 诱导的质量分裂相一致，并排除了由 wino 诱导的情景。
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宇宙中充满了看不见的物质，它们将星系维系在一起，然而我们从未直接观测到它们。科学家称之为“暗物质”，虽然我们通过其引力作用知道它的存在，但其真实的身份仍是物理学界最大的谜团之一。一个领先的设想认为，这种隐藏的物质是由与我们所知的粒子相对应的“伙伴粒子”组成的，这一概念植根于一种被称为“超对称”的理论。该理论提出，对于每种已知的粒子，都存在一个更重的、不可见的孪生兄弟。如果这些孪生兄弟确实存在，其中最轻的一个可能是稳定的并充斥着整个宇宙，充当着我们正在寻找的暗物质。最近，一个位于深层地下的灵敏实验探测到了一个令人费解的单一信号，一些研究人员认为这可能是暗物质粒子撞击原子核的结果。这一事件引发了一波新的调查热潮，旨在探究这些粒子究竟是什么，以及它们如何融入从大爆炸初期至今的宏大宇宙叙事之中。
在一项新的研究中，研究人员将这一近期信号与一种关于宇宙起源的具体理论联系了起来。他们将目光锁定在一种被称为“希格斯诺”（higgsino）的暗物质候选粒子上，这是一种与赋予其他粒子质量的希格斯玻色子（Higgs boson）相对应的重粒子。该团队在一个将这些微观粒子物理学与早期宇宙的大规模膨胀（即宇宙暴胀）联系起来的框架内开展工作。通过结合两种不同的产生这些粒子质量的方式，他们创建了一个模型，在该模型中，一个质量约为一万亿电子伏特的近纯希格斯诺可以作为稳定的暗物质粒子存在。选择这一特定质量以及该粒子分裂成略微不同能量状态的方式，是为了与 LUX-ZEPLIN 实验报告的近期探测结果相匹配，该实验旨在利用液氙罐捕捉暗物质。
研究人员不仅提出了这种粒子，还测试了它是否能与我们所知的宇宙其他部分共存。他们运行了详细的计算机模拟，以观察这种希格斯诺暗物质模型是否能产生正确的希格斯玻色子质量——根据其他实验测量，该质量约为 125 GeV。研究发现，该模型可以成立，但仅限于非常特定的条件。当暗物质粒子与一种被称为“双诺”（bino）的特定类型伙伴粒子发生相互作用时，预测的希格斯玻色子质量在误差范围内与观测值相符。然而，当该模型依赖于另一种被称为“威诺”（wino）的伙伴粒子时，预测的质量比实际观测值高出几个 GeV。这一结果实际上排除了该理论中的“威诺”版本，使得“双诺”版本成为该特定框架下唯一可行的路径。
该研究还解决了解读近期 LUX-ZEPLIN 信号的一个主要障碍。虽然单个探测到的事件可以通过具有极小能级差的希格斯诺来解释，但其他寻找太阳中微子的实验已经设定了严格的限制，规定了这种能级差不能过小。新的分析证实，尽管之前的研究表明，由于所需的能级分裂过小，太阳中微线约束排除了将 LUX-ZEPLIN 事件解释为热力学希格斯诺暗物质信号的可能性，但这并不质疑希格斯诺暗物质本身的生存能力。然而，研究人员计算出，对于该模型的“双诺”版本，在考虑所有已知不确定性的情况下，希格斯玻色子的质量与测量值是一致的。相比之下，“威诺”版本预测的质量约为 131 GeV，这过高了，因此是不正确的。
这项工作将物理学的三个不同领域联系在了一起：宇宙的起源、基本对称性的破缺以及暗物质的本质。通过展示一种特定类型的暗物质粒子既能解释近期的实验暗示，又能正确预测希格斯玻色子的质量，该研究提供了一个连贯的图景，阐述了宇宙的隐形领域可能是如何构成的——前提是将近期 LUX-ZEPLIN 事件的特定解释转向更大的能级分裂。这表明，如果最近的地底信号确实是暗物质，那么它很可能是一个与“双诺”相互作用的重希格斯诺，这一情景能够完美契合于一种长期以来因其能解释宇宙暴胀而备受青睐的早期宇宙理论。这些发现并非证明了该粒子的存在，但它们表明，这样一种粒子是一个在数学上一致且在物理上合理的候选者，值得随着实验继续寻找现实世界中那些不可见的构建模块时进行进一步的审视。
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