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重重 SUSY 重重重重重重重重重重 ?() 1. 重重 重重重重 重重重重重重重重重重重 SUSY、 2. 重重 重重重重重重重重重重重 重 重 重重 SUSYLHC 3. 重重 重重重重重重重重重重 SUSY 重重 重重 ( 重重重重重重重重重重重重重 ) 重重重 BICEP2 重重重重重重重重重重重重[Harigaya, Ibe, Ichikawa, Kaneta, S.M., arXiv:1403.5880]

重いSUSY?(その動機と暗黒物質) 1. 重いSUSYの定義、そしてその動機について 2. 重いSUSYの予言する暗黒物質とLHC実験

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重い SUSY ?(その動機と暗黒物質)

1. 重いSUSYの定義、そしてその動機について

2. 重いSUSYの予言する暗黒物質とLHC実験

3. 重いSUSYのまとめと今後の展望

松本 重貴  ( カブリ数物連携宇宙研究機構 )

最近の BICEP2 の影響についても言及する!  [Harigaya, Ibe, Ichikawa, Kaneta, S.M., arXiv:1403.5880]

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全てのスカラー粒子(ヒッグスを除く)が 10—100TeV と重いSUSY 模型                      ↓     フェルミオニック超対称粒子は? 様々な可能性

10-100

Mass (TeV)

0.1-1

Scalars

GauginosHiggsinos

Scalars

Gauginos

HiggsinosScalarsGauginos

Higgsinos

Scalars

GauginosHiggsinos

Split-SUSY Pure Gravity Focus point Super-split

[N. Arkani-Hamed & S. Dimopoulos, JHEP 0506, 2005]

[M. Ibe, T. Moroi, & T. T. Yanagida, PLB644, 2007]

[J. Feng, T. Moroi, and K. Matchev, PRD61, 2000]

もっと重かった これ中心にいく 横崎君トーク

[There must be several papers, since long ago.]

≒ SM

重いSUSYについて

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Gluinos

~ 現象論の観点からの重い SUSY を考える動機 ~

Mass(TeV)

100

10

1

0.1

BinoWinos

Gravitino,Scalars,Higgsinos

Higgs

Phenomenological advantages

• Higgs mass of 126GeV• SUSY Flavor/CP prob.

relaxed• Dark matter candidate• No gravitino problem• Compatible w/ leptogenesis• GUT works ( 永田君トーク)標準模型 vs. 重い SUSY (PGM)

Higgs mass

Flavor/CP

Gravitino

Dark matter

Coupling U.

Naturalness

標準模型 重い SUSY

◎ ○

○ ○

×

×

×

重いSUSYについて

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重いSUSYについて

Gluinos

~ 模型構築の観点からの重い SUSY を考える動機 ~Mass

(TeV)

100

10

1

0.1

BinoWinos

Higgs

MSSM SUSYNo singlets →

SUGRA interactions

[Inoue, Kawasaki,

Yamaguchi, Yanagida, 1992]

Gravitino,Scalars,Higgsinos

Minimal (Simplest) Setup!

[Okada, Yamaguchi, Yanagida, 1990; Ellis, et. al., 1990]

[H.Murayama, et. al., 1998;

L.Randall, et. al., 1999][Hisano, S.M., Nagai, Saito, Senami, 2007 (TH);

T. Moroi, et. al., 1999 (NT),]

= A conjecture on SUSY breaking mediation[Ibe, Moroi, Yanagida (2007), Ibe, Yanagida (2011), Ibe, Matsumoto, Yanagida (2012)]

Anomaly Mediation:

Dark Matter:

m-term:

Higgs mass:

[Gravitino mass is fixed to be O(100)TeV]Scalar masses:

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重いSUSYについて

Gluinos

Mass(TeV)

100

10

1

0.1

BinoWinos

Higgs

・ Effective Lagrangian: 長井君トーク

佐藤君トーク・ Gaugino masses (@ MSUSY scale):

+ other contributions

+ other contributions

+ other contributions

[From PQ sector [K. Nakayama & T. T. Yanagida, PLB722, 2013][Vector Matters [K. Harigaya, M. Ibe, T. T. Yanagida, JHEP1312]

・ Charged wino mass (Dm ~ 150—164 MeV)

・ Several DM regions:

[Independent of the gaugino mass]

[Y. Yamada, PLB682, 2010; M.Ibe, S.M., R. Sato, PLB721, 2013]

1. Bino DM This region has already been ruled out.2. Wino DM [Hisano, S.M., Nagai, Saito, Senami, 2007]3. Coannihilation regions [Harigaya, Kaneta, S. M., 2014]

Gravitino,Scalars,Higgsinos

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重いSUSYの暗黒物質

[J.Hisano, S.M., M.Nagai, O.Saito, M.Senami, 2007]

~ Wino dark matter region ~

Thermal relic abundance: Annihilations modes are w0w0, w + w - , w0w±, w±w±.

Wino DM with its mass of about 3.1TeV explains the Planck data.

Non-thermal contribution:

Gravitino produced after inflation. Its decay into DM at late time. DWDMh2 = 0.16(m/0.3TeV)   ×(TR/1010GeV). [Gherghetta, Giudice; Wells, Moroi, Randall, 1999]

Wino DM with its mass less than 3.1TeV explains the Planck data.

[M. Ibe, T. T. Yanagida, 2011]

The BICEP2 Result

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重いSUSYの暗黒物質~ Wino dark matter region ~

mwino

0.1TeV 0.5TeV 1TeV 5TeV

0.27 0.32 2.3 3.1

[PRD88, 2013]

Disappearingtrack search!

From Collider (LHC) experiment: From DM indirect detections:

• Wino mass up to 500GeV will be explored in future (100fb-1@14TeV).• Is it possible to use “the double disappearing tracks search” at HL-LHC?• Chargino productions via VBF is useful? [s ~ 0.4fb@14TeV, | | > Dh 4.2]

[Bhattacherjee, Feldstein, Ibe, S.M., Yanagida, PRD87, 2013, Snowmass rept. arXiv:1308.0355]

Continuum g

Fermi-LAT Limit

Line g

H.E.S.S. Limit

BICEP2

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重いSUSYの暗黒物質~ Bino-Gluino coannihilation ~

Thermal relic abundance:

Annihilations modes: gluino + gluino (Sommerfeld) gluino + bino (Suppressed) bino + bino (Suppressed)

Chemical equilibrium between gluino and bino maintains due to conversion processes, etc.

• Dark matter can be as heavy as several TeV with the mass differencebetween gluino and wino being of the order of O(100)GeV.

• No signals are expected in direct and indirect DM observations.• The only possible way to explore the DM is the use of “Hadron Collider”. • Process at the LHC is pp gluino + gluino (gluino bino + two jets),

where the gluino is degenerated with the bino dark matter. • Initial state radiations play important roles, pp gluino+gluino+jet(s).

Bino mass up to 1TeV will be covered in near future (green/blue lines). [B. Bhattacherjee, et. al., PRD89, 2014, S. Mukhopadhyay, M. Nojiri, T. T. Yanagida, arXiv:1403.6028]

BICEP2

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重いSUSYの暗黒物質~ Wino-Gluino coannihilation ~

Thermal relic abundance:

Annihilations modes: gluino + gluino (Sommerfeld) gluino + wino (Suppressed) wino + wino (Sommerfeld)

Chemical equilibrium between gluino and bino maintains due to conversion processes, etc.

• The mass of the dark matter is predicted to be 3—7 TeV in this region, where it is smoothly connected to 3.1TeV predicted by the wino DM.

• In order to explore the DM in this coannihilation region, we have to rely on the indirect DM detection utilizing (monochromatic) g-rays, so that future air Cherenkov telescopes (CTA) will play important roles.

• If we impose the limit from the line g-ray observation at H.E.S.S. with adopting the cuspy profile, the wino mass up to 3.3TeV is ruled out. [ T. Cohen, M. Lisanti, A. Pierce, and T. R. Slatyer, JCAP10, 061, 2013 ]

• Even in such a case, we find the allowed mass region of 3.5—7 TeV.

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重いSUSYの暗黒物質~ Bino-Wino coannihilation ~

Thermal relic abundance:

Annihilations modes: wino + wino (Sommerfeld) wino + bino (Suppressed) bino + bino (Suppressed)

Chemical equilibrium between gluino and bino maintains due to conversion processes, etc.

• The mass of the bino DM can be as heave as about 2TeV with the mass difference between the bino DM and the wino being 10—40GeV.

• The bino mass less than 90GeV has already been ruled out by LEPII.• The most important process to explore the DM at the LHC is the wino

production (charged wino + neutral wino, two charged wino modes).☆ Charged wino decays into W* + bino with almost 100% branching.☆ Neutral wino decays into Z* + bino, l+l– + bino, h* + bino, and their branching fractions depend on the masses of higgsino & sleptons.

• The best process is pp charged and neutral winos llln + 2binos.

BICEP2

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重いSUSYの暗黒物質~ Wino-Bino coannihilation ~

Thermal relic abundance:

Annihilations modes: bino + bino (Suppressed) bino + wino (Suppressed) wino + wino (Sommerfeld)

Chemical equilibrium between gluino and bino maintains due to conversion processes, etc.

• The mass of the wino DM is predicted to be smaller than 3.1TeV, with the mass difference between the bino DM and wino being 100—200 GeV.

• In order to explore the DM in this coannihilation region, we have to rely on the indirect DM detection utilizing (monochromatic) g-rays, so that future air Cherenkov telescopes (CTA) will play important roles.

• If we impose the limit from the line g-ray observation at H.E.S.S. with adopting the cuspy (Einasto or NFW) dark matter profile, the whole parameter (mass) space in this coannihilation region is ruled out.

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重い SUSY のまとめと今後の展望• 重い SUSY のシナリオ( Pure Gravity Mediation type )は、現

象論及び理論の両側面から非常に魅力的。しかもゲージーノは軽いので、現在及び近い将来に行われる実験・観測でシグナルが見える可能性が有る。

• 重い SUSY のシナリオ( Pure Gravity Mediation type) が予言する暗黒物質(領域)とそれら検出に関する今後の展望は以下の通り。

☆ Bino DM Region : ノーマルな宇宙論を考えると既に排除済み。

☆ Wino DM Region : 3.1TeV or (0.3—3.1TeV) を予言。質量が低い 領域は LHC (消失荷電トラック検出)が、高い領域 は γ 線を用いた暗黒物質の間接検出が有効。

  ☆ Bino(DM)-Gluino: 0.5—8TeV を予言。ハドロン加速器がアクセス可。                特に縮退系のグルイーノ対生成の検出が大事。  ☆ Wino(DM)-Gluino: 3.1—7TeV を予言。 γ 線を用いた暗黒物質の間 接検出(銀河中心からのライン γ 線)が大事。  ☆ Bino (DM)-Wino: 0.1—3TeV を予言。加速器における荷電 &中性                ウィーノ生成からのトリ・レプトン検出が大事。

☆ Wino (DM)-Bino: 2.8—3.1TeV を予言。 γ 線を用いた暗黒物質の間 接検出(銀河中心からのライン γ 線)が大事。

11/11

0.9TeV

0.5-1TeV

0.1-0.9TeV

BICEP2 の結果を考慮すると(TR = 2 x 109GeV を仮定 )

0.9-1TeV

0.9TeV

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