Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Bằng chứng hiện tại và tiềm năng trong tương lai hỗ trợ kịch bản vật chất tối đa thành phần đa dạng
Tóm tắt
Chúng tôi tóm tắt những lập luận cho một kịch bản vật chất tối đa thành phần đa dạng mà bao gồm cả higgsino của siêu đối xứng tự nhiên (susy) và một hoặc cả hai phần tử khác đang được nghiên cứu nhiều—axion và higgson. Kịch bản này đã trở nên ngày càng thuyết phục nhờ vào các ràng buộc ngày càng mạnh từ thực nghiệm và quan sát: (1) Mật độ dự đoán của neutralino tự nhiên (higgsinos có khối lượng khoảng 100–300 GeV/c^2) nhỏ hơn khoảng 5–25 lần so với mật độ vật chất tối quan sát được, vì mặt cắt cho sự hủy diệt của các higgsino nhẹ trong vũ trụ sơ khai là lớn. (2) Sự tương tác với hạt nhân thông qua trao đổi Higgs (với một hỗn hợp tự nhiên của các thành phần gaugino trong một hạt chủ yếu là higgsino) khiến cho việc tránh khỏi giới hạn rất thấp đối với mặt cắt cho tán xạ hạt nhân trong các thí nghiệm phát hiện trực tiếp là rất khó khăn. (3) Các thí nghiệm phát hiện gián tiếp và Planck đã áp đặt các giới hạn nghiêm ngặt về mặt cắt hủy diệt. (4) CMS và ATLAS đã đạt được các giới hạn dưới đối với khối lượng của một số hạt susy với giá trị tương đối cao, lên tới khoảng 2 TeV. Bởi vì các thí nghiệm axion và vật chất tối axion đã được xem xét kỹ lưỡng, ở đây chúng tôi nhấn mạnh một ứng viên có nhiều điểm tương đồng với neutralino theo một số cách—với spin 1/2 và R-parity bằng -1—nhưng có mặt cắt hủy diệt và tán xạ nhỏ hơn nhiều; vì vậy, nó có khả năng tương thích với (1) các quan sát về độ phong phú của vật chất tối, (2) tán xạ không phụ thuộc spin và phụ thuộc spin trong các thí nghiệm phát hiện trực tiếp, (3) các quan sát về tia gamma, phản proton, v.v., trong các thí nghiệm phát hiện gián tiếp, và (4) các giới hạn LHC về khối lượng của các hạt susy. Lý thuyết hiện tại cũng chứa một phần của susy, trong đó cả neutralino nhẹ nhất và higgson nhẹ nhất đều là các hạt vật chất tối ổn định (vì không hạt nào có thể phân rã thành một tập hợp các hạt có chứa hạt kia). Lý thuyết này dự đoán sự đa dạng phong phú gấp đôi của các hạt mới mà sự tồn tại của chúng có thể được thử nghiệm trong tương lai gần.
Từ khóa
#higgsino #axion #higgson #vật chất tối #siêu đối xứng #thực nghiệm #quantum #astrophysics #particle physicsTài liệu tham khảo
E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Dark Matter Search Results from a One Tonne\(\times \)Year Exposure of XENON1T. Phys. Rev. Lett. 121, 111302 (2018). arXiv:1805.12562 [astro-ph.CO]
E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Constraining the Spin-Dependent WIMP-Nucleon Cross Sections with XENON1T. Phys. Rev. Lett. 122, 141301 (2019). arXiv:1902.03234 [astro-ph.CO]
D.S. Akerib et al. (LUX Collaboration), Results on the Spin-Dependent Scattering of Weakly Interacting Massive Particles on Nucleons from the Run 3 Data of the LUX Experiment. Phys. Rev. Lett. 116, 161302 (2016). arXiv:1602.03489 [hep-ex]
X. Cui et al. (PandaX-II Collaboration), Dark matter results from 54-ton-day exposure of PandaX-II experiment. Phys. Rev. Lett. 119, 181302 (2017). arXiv:1708.06917 [astro-ph.CO]
C. Amole et al. (PICO Collaboration), Improved dark matter search results from PICO-2L Run 2. Phys. Rev. D 93, 061101(R) (2016). arXiv:1601.03729 [astro-ph.CO]
S. Baum, R. Catena, J. Conrad, K. Freese, M.B. Krauss, Determining Dark Matter properties with a XENONnT/LZ signal and LHC-Run3 mono-jet searches. Phys. Rev. D 97, 083002 (2018). arXiv:1709.06051 [hep-ph]
T. Lin, TASI lectures on dark matter models and direct detection, arXiv:1904.07915 [hep-ph], and references therein
T. Marrodán Undagoitia, L. Rauch, Dark matter direct-detection experiments. J. Phys. G 43, 013001 (2016). arXiv:1509.08767 [physics.ins-det]
M. Lisanti, Lectures on dark matter physics, TASI lecture notes. arXiv:1603.03797 [hep-ph]
M. Klasen, M. Pohl, G. Sigl, Indirect and direct search for dark matter. Prog. Part. Nucl. Phys. 85, 1 (2015). arXiv:1507.03800 [hep-ph]
G. Bertone, D. Hooper, J. Silk, Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. Phys. Rep. 405, 279 (2005). arXiv:hep-ph/0404175
T.A. Porter, R.P. Johnson, P.W. Graham, Dark matter searches with astroparticle data. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 49, 55 (2011). arXiv:1104.2836 [astro-ph.HE]
T. R. Slatyer, TASI lectures on indirect detection of dark matter. arXiv:1710.05137 [hep-ph]
D. Hooper, TASI lectures on indirect searches for dark matter. arXiv:1812.02029 [hep-ph]
L.E. Strigari, Galactic Searches for Dark Matter. Phys. Rep. 531, 1 (2013). arXiv:1211.7090 [astro-ph.CO]
Planck Collaboration, Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. arXiv:1807.06209 [astro-ph.CO]. See Fig. 46 in particular
A. Boveia, C. Doglioni, Dark matter searches at colliders. Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 68, 429 (2018). arXiv:1810.12238 [hep-ex], and references therein
F. Kahlhoefer, Review of LHC dark matter searches. Int. J. Mod. Phys. A 32, 1730006 (2017). arXiv:1702.02430 [hep-ph]
D. Abercrombie et al., Dark Matter benchmark models for early LHC Run-2 Searches: Report of the ATLAS/CMS Dark Matter Forum. Phys. Dark Univ. 26, 100371 (2019)
S. Arrenberg et al. [Snowmass 2013 CF4 Working Group Report], Dark matter in the coming decade: complementary paths to discovery and beyond. arXiv:1310.8621 [hep-ph]
H. Baer, K.-Y. Choi, J.E. Kim, L. Roszkowski, Dark matter production in the early Universe: beyond the thermal WIMP paradigm. Phys. Rep. 555, 1 (2015). arXiv:1407.0017 [hep-ph]
K.A. Olive, Supersymmetric dark matter after run I at the LHC: from a TeV to a PeV, proceedings of the 18th International Conference From the Planck Scale to the Electroweak Scale. arXiv:1510.06412 [hep-ph]
H. Baer, V. Barger, H. Serce, SUSY under siege from direct and indirect WIMP detection experiments. Phys. Rev. D 94, 115019 (2016). arXiv:1609.06735 [hep-ph]
H. Baer, V. Barger, D. Sengupta, X. Tata, Is natural higgsino-only dark matter excluded? Eur. Phys. J. C 78, 838 (2018). arXiv:1803.11210 [hep-ph]
L. Roszkowski, E.M. Sessolo, S. Trojanowski, WIMP dark matter candidates and searches: current status and future prospects. Rept. Prog. Phys. 81, 066201 (2018). arXiv:1707.06277 [hep-ph]
H. Baer, D. Sengupta, S. Salam, K. Sinha, V. Barger, Midi-review: Status of weak scale supersymmetry after LHC Run 2 and ton-scale noble liquid WIMP searches. arXiv:2002.03013 [hep-ph]
K. Kowalska, E.M. Sessolo, The discreet charm of higgsino dark matter: a pocket review. Adv. High Energy Phys. 2018, 6828560 (2018). arXiv:1802.04097 [hep-ph]
L. Baudis, S. Profumo, Dark Matter. in M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D 98, 030001 (2018) and 2019 update. http://pdg.lbl.gov/2019/reviews/rpp2019-rev-dark-matter.pdf
G. Bertone, The moment of truth for WIMP dark matter. Nature 468, 389 (2010). arXiv:1011.3532 [astro-ph.CO]
M.E. Peskin, Supersymmetric dark matter in the harsh light of the Large Hadron Collider. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, 12256 (2015)
K.A. Olive, Supersymmetric dark matter or not. in Proceedings of 11th International Workshop on Dark Side of the Universe. arXiv:1604.07336 [hep-ph]
H.E. Haber, G.L. Kane, The search for supersymmetry: Probing physics beyond the standard model. Phys. Rep. 117, 75 (1985)
H. Baer, X. Tata, Weak Scale Supersymmetry: From Superfields to Scattering Events (Cambridge University Press, Cambridge, 2006). and references therein
Perspectives on Supersymmetry II, edited by G. L. Kane (World Scientific, 2010)
B.C. Allanach, H.E. Haber, Supersymmetry, Part I (Theory), and O. Buchmuller and P. de Jon, “Supersymmetry, Part II (Experiment). in M. Tanabashi et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D 98, 030001 (2018) and 2019 update. http://pdg.lbl.gov
G. Jungman, M. Kamionkowski, K. Griest, Supersymmetric Dark Matter. Phys. Rept. 267, 195 (1996). arXiv:hep-ph/9506380
M. Kamionkowski, WIMP and axion dark matter. arXiv:hep-ph/9710467
G. Bertone, D. Hooper, J. Silk, Particle dark matter: evidence, candidates and constraints. Phys. Rept. 405, 279 (2005)
H. Baer, V. Barger, P. Huang, Hidden SUSY at the LHC: the light higgsino-world scenario and the role of a lepton collider. JHEP 1111, 031 (2011). arXiv:1107.5581 [hep-ph]
H. Baer, V. Barger, P. Huang, D. Mickelson, A. Mustafayev, X. Tata, Radiative natural supersymmetry: Reconciling electroweak fine-tuning and the Higgs boson mass. Phys. Rev. D 87, 115028 (2013). arXiv:1212.2655 [hep-ph]
H. Baer, V. Barger, D. Mickelson, Direct and indirect detection of higgsino-like WIMPs: concluding the story of electroweak naturalness. Phys. Lett. B 726, 330 (2013). arXiv:1303.3816 [hep-ph]
R.D. Peccei, H.R. Quinn, \(CP\) conservation in the presence of pseudoparticles. Phys. Rev. Lett. 38, 1440 (1977)
S. Weinberg, A new light boson? Phys. Rev. Lett. 40, 223 (1978)
F. Wilczek, Problem of strong \(P\) and \(T\) invariance in the presence of instantons. Phys. Rev. Lett. 40, 279 (1978)
P. Sikivie, Experimental tests of the “invisible” axion. Phys. Rev. Lett. 51, 1415 (1983)
P. Sikivie, N. Sullivan, D.B. Tanner, Proposal for axion dark matter detection using an \(LC\) circuit. Phys. Rev. Lett. 112, 131301 (2014). arXiv:1310.8545 [hep-ph]
I.G. Irastorza, J. Redondo, New experimental approaches in the search for axion-like particles. Prog. Part. Nucl. Phys. 102, 90 (2018)
P.W. Graham, I.G. Irastorza, S.K. Lamoreaux, A. Lindner, K.A. van Bibber, Experimental searches for the axion and axion-like particles. Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 65, 485 (2015). arXiv:1602.00039 [hep-ex]
X. Tata, Natural supersymmetry: status and prospects. arXiv:2002.04429 [hep-ph]
M.E. Peskin, D.V. Schroeder, An Introduction to Quantum Field Theory (Perseus, 1995)
R.E. Allen, Predictions of a fundamental statistical picture. arXiv:1101.0586 [hep-th]
R.E. Allen, A. Saha, Dark matter candidate with well-defined mass and couplings. Mod. Phys. Lett. A 32, 1730022 (2017). arXiv:1706.00882 [hep-ph]
R.E. Allen, Saving supersymmetry and dark matter WIMPs: a new kind of dark matter candidate with well-defined mass and couplings. Phys. Scr. 94, 014010 (2019). arXiv:1811.00670 [hep-ph]
M. Throm, R. Thornberry, J. Killough, B. Sun, G. Abdulla, R.E. Allen, Two natural scenarios for dark matter particles coexisting with supersymmetry. Mod. Phys. Lett. A 34, 1930001 (2019). arXiv:1901.02781 [hep-ph]
R. Thornberry, M. Throm, J. Killough, D. Blend, M. Erickson, B. Sun, B. Bays, G. Frohaug, R.E. Allen, A natural multicomponent dark matter scenario with two coexisting stable WIMPs. submitted
R. Thornberry, A. Arroyo, C. LaFontaine, G. Frohaug, D. Blend, R.E. Allen, Gauge couplings in a multicomponent dark matter scenario, eConf: The SLAC Electronic Conference Proceedings Archive. arXiv:1910.09950
D. Blend, R. Thornberry, A. Arroyo, G. Frohaug, C. LaFontaine, R. E. Allen, A multicomponent dark matter scenario and the experimental evidence supporting it. Proceedings of Science [proceedings of European Physical Society High Energy Physics conference]
C. Karwin, S. Murgia, T.M.P. Tait, T.A. Porter, P. Tanedo, Dark matter interpretation of the Fermi-LAT observation toward the Galactic Center. Phys. Rev. D 95, 103005 (2017). arXiv:1612.05687 [hep-ph]
R.K. Leane, T.R. Slatyer, Revival of the Dark Matter Hypothesis for the Galactic Center Gamma-Ray Excess. Phys. Rev. Lett. 123, 241101 (2019). arXiv:1904.08430 [astro-ph.HE]
A.M. Brown, R. Massey, T. Lacroix, L. E. Strigari, A. Fattahi, C. Boehm, The glow of annihilating dark matter in Omega Centauri. arXiv:1907.08564 [astro-ph.HE]
I. Cholis, T. Linden, D. Hooper, A robust excess in the cosmic-ray antiproton spectrum: implications for annihilating dark matter. Phys. Rev. D 99, 103026 (2019). arXiv:1903.02549 [astro-ph.HE]
A. Cuoco, J. Heisig, L. Klamt, M. Korsmeier, M. Krämer, Scrutinizing the evidence for dark matter in cosmic-ray antiprotons. Phys. Rev. D 99, 103014 (2019). arXiv:1903.01472 [astro-ph.HE]
CMS Collaboration, Search for invisible decays of a Higgs boson produced through vector boson fusion in proton–proton collisions at \(\sqrt{s} = 13\) TeV. Phys. Lett. B 793, 520 (2019). arXiv:1809.05937 [hep-ex]
M. Aaboud et al. (ATLAS Collaboration), Combination of searches for invisible Higgs Boson decays with the ATLAS experiment. Phys. Rev. Lett. 122, 231801 (2019). arXiv:1904.05105 [hep-ex]
D. Pekker, C.M. Varma, Amplitude/Higgs modes in condensed matter physics. Annu. Rev. Condens. Matter Phys. 6, 269 (2015)
J.P. Lees et al. (The BABAR Collaboration), Observation of time-reversal violation in the \(B^0\) meson system. Phys. Rev. Lett. 109, 211801 (2012). arXiv:1207.5832 [hep-ex]