Direct Search of Dark Matter

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1 Direct Search of Dark Matter
in High-scale SUSY 永田 夏海 名古屋大学 2013年3月26日 第68回年次大会 J. Hisano, K. Ishiwata, N. Nagata, Phys. Rev. D87, (2013) .

2 SUSY SM 超対称標準模型 (SUSY SM) スケール TeV 超対称性粒子 EW 標準模型粒子

3 SUSY SM 超対称標準模型 (SUSY SM) スケール TeV 超対称性粒子 EW 標準模型粒子 直接探索

4 SUSY SM 超対称標準模型 (SUSY SM) 超対称性粒子 126 GeV ヒッグス粒子 標準模型粒子 直接探索 TeV EW
スケール TeV 超対称性粒子 126 GeV ヒッグス粒子 EW 標準模型粒子 直接探索

5 SUSY SM 超対称標準模型 (SUSY SM) 超対称性粒子 126 GeV ヒッグス粒子 標準模型粒子 直接探索
スケール 超対称性のスケールが高い？？ TeV 超対称性粒子 126 GeV ヒッグス粒子 EW 標準模型粒子 直接探索

6 さらに，暗黒物質(DM)候補も備わっている.
特徴 超対称性のスケールが高い場合の超対称標準模型も現象論的に魅力的な性質を持っている． 126 GeVのヒッグス粒子が説明できる CP・フレーバー問題を回避できる グラビティーノ問題を回避できる ゲージ結合定数の統一が保たれる (重いstopによる輻射補正の効果) (超対称性粒子の質量で抑制される) (グラビティーノが重いため) さらに，暗黒物質(DM)候補も備わっている. w/ 軽いゲージーノ (カイラル対称性)

7 質量スペクトル アノマリー媒介機構 一般的なケーラー・ポテンシャルと，超対称性を破る場が何らかの 対称性の下で量子数を持つことを仮定
ヒッグシーノも軽くなりうる (ループ因子の分軽くなる) (他に対称性がある場合) アノマリー媒介機構 L. Randall and R. Sundrum (1998) G.F. Giudice, M.A. Luty, H. Murayama, R. Rattazzi (1998)

8 暗黒物質 ウィーノ (3 TeV) スカラー粒子 ヒッグシーノ (1 TeV) グラビティーノ (103 TeV)
仮定 この模型における，最も軽い超対称性粒子(LSP)が宇宙の暗黒物質を占めている 熱残存量 ウィーノ (3 TeV) ヒッグシーノ (1 TeV) スカラー粒子 グラビティーノ (103 TeV) これらの暗黒物質の直接探索を考えたい 暗黒物質・核子弾性散乱 断面積 の精密計算が重要

9 ダイアグラム ツリー・レベル ``Higgs” contribution 暗黒物質と核子質量 との結合 有効結合定数 これらの相互作用は
をもたらす． (Zij: ニュートラリーノ混合行列)

10 ダイアグラム 1ループ ``Scalar” ``twist-2” これらの過程は，暗黒物質の質量が電弱スケール
ツイスト-２ 演算子は ツイスト-2 演算子 暗黒物質とクォーク 運動量との結合 をもたらす． これらの過程は，暗黒物質の質量が電弱スケール よりも十分重くても小さくならない． J. Hisano, S. Matsumoto, M. Nojiri, O. Saito, Phys. Rev. D 71 (2005)

11 ダイアグラム 2ループ ``Gluon” contribution
Mass fractions for proton グルーオンの寄与は，高次ループの寄与であってもクォークの寄与と同程度になりうる． 核子質量に対するグルーオンの寄与が大きいことに起因する・ J. Hisano, K. Ishiwata, and N. Nagata, Phys. Lett. B 690 (2010) 311.

12 Wino-like DM 陽子との有効結合定数 各々の寄与の間で打ち消し合いが起こっている． (from top to bottom)
　tanβ = 1, 2, 5, 50 tanβ = 1, 2, 5, 50 (from top to bottom) (from bottom to top) 各々の寄与の間で打ち消し合いが起こっている．

13 Wino-like DM 陽子との散乱断面積 ループの寄与とツリーの寄与とが打ち消し合って いるため，断面積が非常に小さくなる場合がある．
多くの領域で，ループの寄与が主になっている．

14 Wino-like DM 陽子との散乱断面積 tanβが小さい場合，ループの寄与とツリーの寄与とが重なり合う場合がある．
結果として，多くの場合，暗黒物質直接探索の将来実験で検出可能な範囲内の断面積が予言されるとわかった．

15 Results Higgsino-like DM

16 Summary 超対称性の破れるスケールが高い場合に関して，暗黒物質と核子との弾性散乱断面積を計算した．
多くの領域で，ループの寄与が主要になりうるとわかった． ループの寄与とツリーの寄与との間に打ち消し合いがあるとわかった． 結果得られた断面積は，将来実験で探索しうる範囲にありうるとわかった．

17 Backup

18 Results Higgsino LSP (from top to bottom) (from bottom to top)
　tanβ = 1, 2, 5, 50 tanβ = 1, 2, 5, 50 (from top to bottom) (from bottom to top)

19 Results

20 Loop contributions only
The SI cross section is almost independent of the wino mass. J. Hisano, K. Ishiwata, and N. Nagata, Phys. Lett. B 690 (2010) 311.

21 Nucleon matrix elements
The mass fractions ( for the scalar-type quark operators) For the twist-2 operators The second moments of the parton distribution functions (PDFs)

22 Trace anomaly of energy-momentum tensor in QCD
The matrix element of gluon field strength tensor can be evaluated by using the trace anomaly of the energy-momentum tensor in QCD The trace anomaly of the energy-momentum tensor in QCD (Nf=3) Heavy quark contribution Gluon contribution M. A. Shifman, A. I. Vainshtein and V. I. Zakharov, Phys. Lett. B 78 (1978) 443.

23 SI coupling of Majorana DM with nucleon
The effective coupling of DM with nucleon is given as follows: Suppressed by The gluon contribution can be comparable to the quark contribution even if the DM-gluon interaction is induced by higher loop diagrams. Mass fractions for proton

24 Elastic scattering cross section
One can derive the SI cross section by using the SI effective couplings as follows : From now on, we just show the results for the SI cross section of WIMP DM with a proton as a reference value.

25 The 125 GeV Higgs boson mass is easily accounted.
Higgs mass The 125 GeV Higgs boson mass is easily accounted. 125 GeV Small tanβ is favored mt= ± 0.9 GeV M. Ibe, T.T. Yanagida (2012).